關(guān)于瞬態(tài)響應(yīng)的發(fā)生過程及其對設(shè)計(jì)的影響的研究和應(yīng)對

正常情況下，香蜜湖路上班時(shí)間的車輛大多是南行的，如果出現(xiàn)擁堵，一般都在南行方向，北行方向會(huì)很順，所以掉頭北行通常不是很大的問題。今天的意外出現(xiàn)在剛跨過深南大道的時(shí)候，我突然看到對面路中間站了一個(gè)交警，所有北行的車輛都被攔停，心中正在想出了什么狀況的時(shí)候，突然意識到我的掉頭行為將會(huì)遇到障礙，于是立刻決定向西繞行經(jīng)過泰然科技園轉(zhuǎn)泰然四路進(jìn)入園區(qū)。在我實(shí)施換道行為的時(shí)候看到對面的路上已經(jīng)排起了長長的車龍，從濱河大道轉(zhuǎn)過來的路上也是停滿了車輛，我本來將要進(jìn)入的掉頭車道也排起了長龍，而我轉(zhuǎn)換方向以后的道路卻是暢通無阻，很順利地就到了公司。

在這樣一個(gè)過程中，對于正常行駛的我來說，對面出現(xiàn)交警造成的堵車就是一個(gè)瞬變事件，我決定換道、換路徑就是對此瞬變事件的響應(yīng)。如果我的響應(yīng)速度慢，就會(huì)和前方的車龍匯合，換道過程就會(huì)不順利；如果我響應(yīng)太快而使得換道速度太快了，就有可能和旁邊車道的車輛發(fā)生碰撞，造成不安全的問題。所以，我的正確策略應(yīng)該是用最快的速度感知到堵車的發(fā)生，然后用適當(dāng)?shù)乃俣葥Q道，平安進(jìn)入想要進(jìn)入的路徑，這樣才能又快又安全地到達(dá)目的地。

穩(wěn)壓器工作的目標(biāo)是提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓給負(fù)載，所以它需要將輸出電壓取樣以后與參考電壓進(jìn)行比較，再根據(jù)其間的差異對轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)使輸出穩(wěn)定在希望的電壓上。

誤差放大器EA的輸入是參考電壓VR和反饋電壓VFB，VR通常是由IC內(nèi)部的高精度參考電壓源產(chǎn)生的，VFB則是對輸出電壓Vout的取樣，取樣的工作由電阻分壓器R1和R2完成。EA的輸出不是電壓而是電流，此電流的方向、大小和VFB與VR的差有關(guān)。EA的輸出電流經(jīng)過RC和CC構(gòu)成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分而形成電壓，這個(gè)電壓VC就構(gòu)成了控制調(diào)整管工作狀態(tài)的控制電壓。很顯然，由R1和R2構(gòu)成的分壓器是按照兩個(gè)電阻的比進(jìn)行取樣的，因而VFB的電壓波形和Vout的波形完全相同，只是幅度不一樣。作為具有極高放大倍數(shù)的放大器，EA的輸出電流也將完全正比于VFB和VR的差。假如我們將CC短路而只留下RC，EA的輸出電流在RC上形成的電壓就將直接和VFB與VR的差直接對應(yīng)，這樣造成的調(diào)整管的動(dòng)作過程就會(huì)和輸出電壓的變化過程直接對應(yīng)，其間幾乎沒有任何延時(shí)、緩沖，這樣的電路的反應(yīng)速度就是最快的，但也是最糟糕的，因?yàn)檩敵稣`差會(huì)被電路放大很多，調(diào)整管的工作在極端狀況下將是要么全開、要么全關(guān)，處在非常簡單粗暴的狀態(tài)，輸出特性也不會(huì)好起來。CC的存在使得EA輸出的誤差信號電流能夠被轉(zhuǎn)換為平滑的電壓，對調(diào)整管的控制過程具有很高的線性度，其輸出也就是可以預(yù)測的了，不同的RC和CC的組合將導(dǎo)致不同的特性的產(chǎn)生。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，流過調(diào)整管的電流與負(fù)載電流是相等的，輸出電容Cout上的電壓無變化，也沒有電流流過它。

當(dāng)負(fù)載電流突然增加時(shí)，調(diào)整管不會(huì)馬上做出響應(yīng)，突然增加的電流只能從輸出電容Cout中取得，Cout上將出現(xiàn)向外流出的電流，這將造成Vout的下降。在理想情況下，Vout下降的過程將是負(fù)載電流新增部分對時(shí)間的積分與電容量Cout的商，但由于實(shí)際的電容通道存在電感和電阻，它們同時(shí)存在于電容內(nèi)部和電路路徑上，實(shí)際的電壓下降中還要包含電阻形成的電壓降和電感對電流的變化形成的阻抗帶來的電壓降，前者將在電流存在期間持續(xù)存在，而后者只是在電流變化期間短暫存在。

無論Vout下降的原因是什么，此信息將通過反饋電阻反映到VFB，并在EA的輸出端形成相應(yīng)的電流并經(jīng)RC、CC構(gòu)成的補(bǔ)償電路轉(zhuǎn)換、濾波后形成新的電壓VC去改變調(diào)整管的工作狀態(tài)，使流過它的電流增加以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)將Cout中流失了的電量補(bǔ)足，重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

由于反饋系統(tǒng)需要電壓變化的信號來改變調(diào)整管的狀態(tài)以快速恢復(fù)平衡，看起來在電容Cout通道上存在的ESR和ESL對系統(tǒng)的穩(wěn)定是有利的，但這是有條件的。在上述的過程的開始階段，ESR和ESL都起到了讓電流增加、電壓降低的信號被放大的作用，因而系統(tǒng)的響應(yīng)可以被加快。在系統(tǒng)恢復(fù)平衡的過程中，來自調(diào)整管的新增電流將向電容里流動(dòng)，由于變化的方向反了過來，它們帶來的作用就是提前讓反饋系統(tǒng)感知到輸出電壓正在上升，但實(shí)際上的電容電壓卻是滯后的，所以它們又起到了讓系統(tǒng)變慢的作用。所以，我們在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路的時(shí)候是需要關(guān)注輸出電容的ESR和ESL的大小的，合適的參數(shù)可以讓系統(tǒng)有正確的響應(yīng)，過了或者是不足，穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性就會(huì)受到影響。

以我們提過的RT9013為例，規(guī)格書中建議的輸出電容的參數(shù)是容量大于或等于1μF，ESR大于5mΩ。規(guī)格書沒有提到ESL，這是因?yàn)樘沾呻娙莸腅SL實(shí)在是太小了，但它要求輸出電容離輸出端的距離要小于0.5inch，這實(shí)際上就是在提出ESL的要求，其大小和銅箔的長度是有直接關(guān)系的。通常來說，我們希望ESL的值是越小越好，這樣就可以正確面對非?？斓呢?fù)載電流的變化。

怎樣衡量電流變化的速度呢？看它在單位時(shí)間內(nèi)變化量的大小。當(dāng)我們使用電子負(fù)載給穩(wěn)壓器施加瞬變負(fù)載的時(shí)候，需要設(shè)定的一項(xiàng)參數(shù)就是電流的變化速度，其單位一般是xA/μs，我記得我過去常用的電子負(fù)載的電流變化最大速度好像是2A/μs。這些電子負(fù)載通過測量并調(diào)節(jié)流過MOSFET的電流的變化速度來實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標(biāo)，太高的電流變化速度是不好做的。其實(shí)用這種程控之下的負(fù)載來模擬真實(shí)的負(fù)載是有其不足的，有的負(fù)載的模擬很難實(shí)現(xiàn)，像對LED的模擬就很難做好，有很多人受過設(shè)備的欺騙，看不到真實(shí)的系統(tǒng)反應(yīng)，這樣的人我也算是一個(gè)。

在我的同事所進(jìn)行的瞬態(tài)響應(yīng)研究中就遇到了電子負(fù)載速度太慢的問題，從而影響到對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。在電子負(fù)載下已經(jīng)調(diào)節(jié)好了的響應(yīng)特性，到了真實(shí)的負(fù)載下就現(xiàn)了原形：穩(wěn)定度不足。后來只好自己設(shè)計(jì)瞬變負(fù)載，重新對系統(tǒng)進(jìn)行測試并調(diào)節(jié)補(bǔ)償參數(shù)，這樣才得到了真正符合需要的穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究所形成的報(bào)告名為《怎樣利用快速瞬變負(fù)載測試DC/DC轉(zhuǎn)換器》，它的正式發(fā)表是通過“立锜電子報(bào)”的形式來通知讀者的，相信在一年前就訂閱了“立锜電子報(bào)”的讀者一定已經(jīng)閱讀過了，還沒有訂閱的朋友可以通過立锜微信公眾號下面的菜單進(jìn)行訂閱，它位于“深入交流”欄目下的“免費(fèi)加入立锜會(huì)員”中，所有的會(huì)員都能通過電子郵件收到“立锜電子報(bào)”。