原创 容易被忽略的电源瞬态响应？——电源技术和应用（16）

    如果用示波器对直流电源的输出电压进行监测，这样有明显电压跌落的波形是不是经常会看到？

这是任何电源都存在的正常现象。当负载吸收电流发生跳变的瞬间，就会造成电源输出端的电压瞬间偏离设定值。这个示波器屏幕的截图（图1），就是当我的一个电源的负载电流，从1mA 瞬间变化到500mA时， 输出电压经历了约30uS 瞬间变化。

我们通常称之为电源的负载瞬态恢复时间，或者瞬态响应时间。它表征的是，当负载电流发生突然变化的时候，电源电压恢复到设定范围内所需要的时间。如图2所示：

在表征电源的瞬态响应，我们会考虑三个方面：

1．     负载的幅度变化，例如，负载从全负载的50%， 跳变到100%负载。对于最大10A输出电流的电源，就是负载的电流从5A跳变到了10A。

2．     电源从开始变化开始，恢复到负载改变前设定电压的一定范围之内。需要注意的是，由于负载的改变和电源的负载效应双重影响，电源电压不可能回到负载改变前的值。通常会定义一个电压范围，例如恢复到负载改变前电压的±20mV之内，或 ±0.1% 之内。

3．     瞬态响应时间就是电压恢复指定电源范围内需要的时间值。

直流电源的瞬态响应时间快慢和跌落的幅度不尽相同。例如，安捷伦N6705B直流电源分析仪中所用的高性能模块N675xA， 瞬态响应指标如下：
  

又譬如基本性能高功率电源N5700系列的瞬态响应指标为1ms或2ms

再有专门给通信设备设计的66300系列通信电源，则具有最快20us的瞬态响应速度

瞬态电压特性是电源本身固有的特性。 电源内部有很多的储能元件，电压的调整需要从输出回读、比较标准电压、调整开关占空比等一系列过程。提高控制回路的速度，可以提供更短的瞬态响应时间。 但有可能造成输出非常不稳定，甚至出现振荡，就像我在图2中所示的。因此，具备快速瞬态响应能力的电源，通常为了保证输出质量，就必须采用一些更为先进的技术，从而提升了成本和价格。

如果电压瞬态响应能力较差，导致电压跌落/过冲时间过长，幅度过大，直接会造成很多问题。 特别是对于不停快速变化的负载，如手机、Wifi、无线传感器等这些无线通信的设备和器件， 其变化速度可能已经超过电源的瞬态响应能力，就会使电源电压无法达到其设定值，甚至还会造成被测件的自动关机或重复启动。这会让测量无法正常进行。因此，如果有这种应用，就必须考虑采用一个更快响应能力的电源。

大部分直流电源的瞬态电压过冲或跌落幅度不被表征或定义, 这是由于该参数很大程度上取决与负载的特性。 通常情况下，这个值会小于1V。 但市面上有些电源的瞬态响应时间过长，如果处理不好，在负载、电源及导线共同影响下, 过冲电压可能会达到1-4V。

   为了减小瞬态电压变化幅度，可以采用在电路中并联一个大电容的方式，平滑电压的跌落或过冲幅度，但这也会导致瞬态响应时间更长，如图4所示。

在加入电容后，对提升电路的瞬态响应能力，往往会起到比较明显的效果。如图4所示的，我们在用一个通用电源测量GSM手机脉冲电流，在没有并联电容的时候，瞬间电源跌落会达到0.6V （见图4左）. 对于一个工作在3.8V的手机来说，这样大的电源跌落足以造成手机自动关机。当我们并联了一个2000uF的电容后，电源跌落降到了0.2V以下，得到明显改善，见图4右所示（图中，黄色曲线为电压，绿色曲线为电流）。

此外，并联电容的还会带来以下几个方面的影响：

1.  使自动测试系统的速度下降

2.  降低电流的测量精度

3.  占用测试夹具的内部空间

4.  影响开关的寿命

这也是类似手机等通信设备测试时采用象66300通信电源这样具备快速电压瞬态响应能力的电源的最突出原因之一。