修改我們的開關電源架構以改善瞬態(tài)響應，第一部分

開關電源通常具有嚴格的靜態(tài)調節(jié)規(guī)范。使用廣泛可用的精密基準，我們無需任何初始調整即可在工作溫度范圍內輕松實現 ±1% 的精度。我們還必須處理電源的動態(tài)調節(jié)規(guī)范，制造商通常將其指定為瞬態(tài)負載的最大允許偏差，該瞬態(tài)負載具有規(guī)定的電流階躍和規(guī)定的最大允許壓擺率。這些規(guī)格以及恢復時間定義了瞬態(tài)后輸出電壓需要多長時間才能恢復到靜態(tài)限制范圍內。

為通用電源和應用指定最佳靜態(tài)調節(jié)功能的電源非常適用。3V 輸出測量值后面的一串兩個或三個零看起來很美觀，即使負載不需要這樣的精度。我們也很自然地假設我們可以通過使這些偏差源自最受限制的靜態(tài)調節(jié)點來最小化總動態(tài)峰峰值偏差。因此，開關電源的規(guī)范和設計工作已經演變?yōu)楸３謬栏竦撵o態(tài)電壓規(guī)范，并要求以最快的合理速率從負載瞬態(tài)中恢復。言外之意就是電源有很高的環(huán)路增益，

對于電壓模式控制的電源，當我們嘗試優(yōu)化補償時，LC 濾波器的雙極點和輸出電容的零點及其相關的等效串聯電阻 (ESR) 會帶來挑戰(zhàn)。濾波器參數的可變性，尤其是 ESR，可以在限制我們優(yōu)化環(huán)路的程度方面發(fā)揮重要作用。電流模式控制通過控制流入輸出濾波器的電流而不是控制流入濾波器的平均電壓來解決穩(wěn)定性問題。這種方法消除了環(huán)路中的電感器，但會增加電流傳感器(通常是電阻器)的費用。在每一分錢都很重要的成本敏感型應用中，這個電阻器似乎是一種不必要的費用，我們可以通過更好的環(huán)路設計來消除它。這一目標導致工程師開發(fā)了許多非線性、

考慮典型負載對電源的代表性功率要求：其電源電壓在一定范圍內，例如標稱值的 ±5%。規(guī)范很少允許額外的瞬態(tài)偏差，但規(guī)范允許靜態(tài)偏差超過電源通常設計的目標。對于微處理器等動態(tài)負載，負載的運行速度通常比電源開關快三個數量級，其電流需求轉換速率相應地比開關電源所能達到的快很多倍。此外，隨著處理器越來越需要動態(tài)電源管理技術，微處理器會在其最大需求和幾乎零電流需求之間以高轉換速率定期轉換。

因為電源本身不能對通過輸出濾波器的電流變化做出實質性響應，全瞬態(tài)電流幅度，

I O , 突然出現在輸出電容中。在此瞬態(tài)之后，電源會產生相對溫和的恢復，以勇敢地嘗試快速轉換電流以滿足負載的新需求。因為輸出電容器的典型阻抗決定了 ESR，所以瞬態(tài)響應電壓特性通?？雌饋砭拖耠娏魉矐B(tài)一樣。為了響應滿載瞬變，輸出電壓會突然跳躍或下降;在這種跳躍或下降之后，或多或少的線性恢復斜坡。每個偏差的大小是VO = _I O ×ESR，并且，當我們考慮由電感紋波電流引起的紋波電壓時，I L和電源容差誤差 V ERR，即電源可以針對此負載實現的峰峰值輸出電壓抑制為：

V PP =V ERR +(

I L ×ESR)+(2×I O ×ESR)=V ERR +[(2IO + _I L )×ESR]。(等式 1)

這個方程沒有考慮電源可能的非線性響應以更快地將電壓帶回靜態(tài)條件，但這種情況是無關緊要的，因為包含峰峰值輸出電壓的損壞已經發(fā)生。應用負載的最佳電源設計的主要目標是以最低成本將該輸出電壓包含在負載所需的規(guī)格范圍內。然而，電源控制設備供應商強調在瞬態(tài)期間更高的開關頻率和更快的環(huán)路，這實際上都沒有解決這個基本問題。

通過研究簡單的等效電路模型，我們可以直觀地了解電源的負載瞬態(tài)性能。主電壓源 V CC提供標稱電壓。另一個串聯源代表電源精度的誤差，由于誤差是雙向的，這個源的極性是未知的，你必須適應它。我們還應該在此源中包含紋波電壓誤差。電阻值為 ESR。最后，有一個等效的輸出電感限制了電源的壓擺率。對于降壓轉換器，等效電感為：

L EQ =L O (

I O,MAX ESR/V L,MIN )，其中 V L,MIN 是 V O 和 V IN –V O中的較低值。

通過檢查這個模型來推導前面的公式是相當簡單的。請注意，這種方法實際上試圖通過降低等效電感值來解決問題。如果我們可以使這個等效電感足夠低，以使電源具有接近負載的轉換率能力，那么這種方法對于包含電壓瞬變是有效的。但是，由于該情況不適用于本示例，因此減少模型中的等效電感幾乎不會影響瞬態(tài)遏制。

在設計電源時解決公式 1 中的 2 倍因子，而不是將其設計為僅保持在靜態(tài)條件下可以實現的最嚴格的固定電壓，我們可以獲得多項好處。如果從低到高和從高到低的瞬態(tài)不是源自相同的靜態(tài)調節(jié)電壓會發(fā)生什么情況，我們如何以最佳方式實施這樣的調節(jié)系統(tǒng)?

通過檢查各種電源拓撲和控制技術，我們可以得出結論，ESR 是不可避免的，如果不增加額外的大容量輸出電容器，就無法大幅降低它。此外，研究這些應用中的輸出濾波器通常表明，我們需要大量電容器才能獲得足夠低的 ESR 來限制嚴重的瞬態(tài)。一旦我們接受 ESR 作為阻抗，它本質上會導致最小偏差

V O 每當負載瞬變發(fā)生時，我們會看到電感將電壓帶回起點，這就是方程需要因子 2 的原因。這個特性是電源控制器供應商一直在錯誤解決的特性。如果在負載瞬態(tài)期間不能降低等效電感以提供來自電源的相當大的壓擺率，那么任意降低電感不會提高性能。相反，我們必須轉向另一個方向：使等效電感無限大以至于模型將其消除。

如果我們從模型中消除等效電感，請考慮同一應用中電源的響應。因為當通過 ESR 汲取電流時輸出電壓在較高負載下不會降低，所以考慮將一個小的正偏移電壓與等效輸出電壓源 V CC串聯，這會導致輸出電壓開始高于標稱值。然后，當它加載到最大電流時，輸出電壓會降低到低于標稱值。此特性相當于負載調節(jié)率差的電源，如果我們遵循電源的陳規(guī)定型理想目標，即假定我們應該對所有誤差源求和，那么這是令人反感的。

這個模型現在看起來是一個理想的電源，包括誤差和偏移，正極連接電纜中有一些電阻。當我們移除電感時，電源現在不會在負載瞬變后嘗試恢復。其電壓僅在負載增加后下降，在負載減少后增加。也許令人驚訝的是，峰間瞬態(tài)遏制現在減少到：

V PP =dV ERR +(dI RPP ×ESR)+(

I×ESR)=dV ERR +[(I+dI RPP )×ESR]。