现象
您注意过在启动空调以后屋里的灯光瞬间变暗的情况吗?这是因为空调吸收了大量电流,致使供电电压下降,进而导致了灯光变暗。一小段时间之后,电压还会恢复正常。直流电源上的输出阻抗,也会造成类似的电压瞬变。对电流的需求突然增加时,电源的输出电压就会瞬间下降。同理,电流的下降会导致电源电压突然升高。
概念
瞬态响应是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。首先来看一下下图这个波形, 大约 120 mV 的电压跌落,持续时间约为 30 uS。这是一个高性能的程控电源的输出,当负载电流猛然增大时,输出电压瞬间的变化情况。
这是任何电源都存在的问题。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,就是当一个电源的负载电流,从1mA 瞬间变化到 500 mA 时, 输出电压经历了约 30 uS 瞬间变化。
电源的这个特性,就是我们通常所称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。负载电流突然变化,造成电源电压出现瞬态响应如下图所示。
例如,对于电源 E36312A 来说,当电流从 50% 变到 100% 时,其恢复到 15 mV 的瞬态响应时间是 50 us。通道 1 的最大电流是 5 A,50%就是 2.5 A。
上图显示的是电流从 50% 升至 100%、然后又返回 50% 所发生的电流曲线变化。响应电压如下图所示,其中包括小的瞬态变化。
在 E36312A 的通道 1 上进行瞬态测量。在电流从满负载减至一半以后,电压在 30 us内恢复至 15 mV,反之亦然。
峰值电压通常与负载特性密切相关,因此不会被表征。切记,要用较短的电线并且双绞,以便实现更快的瞬态响应。
表征电源的瞬态响应通常会考虑 3 点:
a)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 10 A 输出电流的电源,就是负载的电流从 5 A 跳变到了 10 A;
b)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。这样,我们就会规范一个范围,例如恢复到负载改变前电压的 ±20 mV 之内,或 ±0.1% 之内;
c)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。
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。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。 瞬态电压过冲或跌落幅度通常不被表征, 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 1 V。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- 4 V。