電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，什么樣的波形算合格？

1導(dǎo)讀

概念

動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般是指控制系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)的作用下，其輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)。對(duì)某一環(huán)節(jié)（系統(tǒng)）加入單位階躍輸入x(t)時(shí)，其響應(yīng)y(t)開始逐漸上升，直到穩(wěn)定在某一定值上為止。響應(yīng)y(t)在達(dá)到一定值之前的變化狀態(tài)稱為過渡狀態(tài)（動(dòng)態(tài)）。此稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

工程師在設(shè)計(jì)電源時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)是必不可少的一項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)。由于涉及環(huán)路問題一直是很多工程師的心病，下面從幾個(gè)方面來談一談動(dòng)態(tài)響應(yīng)希望對(duì)大家有所幫助:

為什么開關(guān)電源需要測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)？

電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一般測(cè)試方法和要求

測(cè)試條件測(cè)試數(shù)據(jù)及示意圖

測(cè)試步驟

什么樣的結(jié)果算合格?

動(dòng)態(tài)響應(yīng)與什么有關(guān)？該如何整改？

2為什么開關(guān)電源需要測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)？

開關(guān)電源都是給各種電子設(shè)備供電的，電子電路一般都需要一個(gè)即使在負(fù)載電流發(fā)生瞬變時(shí)，輸出電壓也能維持在特定容差范圍內(nèi)的電壓源，以確保電路的正常工作。設(shè)計(jì)工程師必須在理解瞬態(tài)響應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用正確的設(shè)計(jì)思路才能以較低的成本改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)性能。隨著各種電子設(shè)備或微處理器工作速度和電流需求量的提高，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)，穩(wěn)壓器在指定范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力成為一個(gè)廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規(guī)范要求，即使負(fù)載電流在幾百納秒內(nèi)發(fā)生10或20A的變化，供電電壓仍然要保持穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能指標(biāo)絕非易事。也是很多電源工程師遇到的比較棘手的問題。

3電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一般測(cè)試方法和要求

輸入、輸出電壓為一定值，比如AC220輸入的電源，在AC176V、AC220V、AC264V時(shí)測(cè)試，輸出負(fù)載在額定值的25％-50％-25％和50％-75％-50％變化，恢復(fù)時(shí)間≤200us時(shí)，輸出電壓的超調(diào)量≤輸出電壓整定值的±5％；恢復(fù)時(shí)間》200us，輸出電壓的超調(diào)量≤輸出電壓整定值負(fù)載調(diào)整率（即要求不能夠超過輸出電壓整定值的±0.5％），當(dāng)然有些波形太差或者聲音太大客戶都是不接受的，另外還有些要求嚴(yán)格的在溫度極限或是輸入最低和最高頻率都得測(cè)試。

注：恢復(fù)時(shí)間是指直流輸出電壓變化量上升至大于穩(wěn)壓精度處開始，會(huì)至小于等于并不超過穩(wěn)壓精度處止的這段時(shí)間。

4測(cè)試條件測(cè)試數(shù)據(jù)及示意圖

輸入：規(guī)格中定義的最小及最大輸入交/直流電壓，最小及最大交流頻率

輸出：規(guī)格中定義的動(dòng)態(tài)負(fù)載電流條件及規(guī)格所允許的最小電容負(fù)載

溫度：最低工作溫度，常溫及最高工作溫度

示波器采樣方式：一般設(shè)為Sample或Hi-res模式

測(cè)試示意圖如下

負(fù)載設(shè)置（如下圖示）

依規(guī)格要求設(shè)定負(fù)載電流的起、止點(diǎn)，負(fù)載電流的上升、下降速率(Slew Rate)及負(fù)載電流的變化周期；一般負(fù)載電流的上升和下降速度設(shè)置為2.5A/uS，變化周期一般為20ms。

開機(jī)后按規(guī)格要求，調(diào)整負(fù)載電流的變化周期(通過改變t1,t2)。

電源測(cè)試系列之輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)(Output Dynamic Response Test)

如下圖中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)：

電壓值：Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,

響應(yīng)時(shí)間：tR1，tR2

參考值：t1, t2,Iomax,Io-min；或負(fù)載占空比，頻率,Iomax,Io-min；

測(cè)量波形數(shù)據(jù)

如下圖中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)：

電壓值：Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,

響應(yīng)時(shí)間：tR1，tR2

參考值：t1, t2,Iomax,Io-min；或負(fù)載占空比，頻率,Iomax,Io-min；

5測(cè)試步驟

1）設(shè)定最低環(huán)境工作溫度，最小輸入電壓/頻率；對(duì)需做動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試的輸出，依規(guī)格要求設(shè)定其負(fù)載電流的起、止點(diǎn)，負(fù)載電流的上升、下降速率(Slew Rate)及負(fù)載電流的變化周期；其他輸出負(fù)載按照Regulation Table要求設(shè)定；

2）開機(jī)后按規(guī)格要求，調(diào)整負(fù)載電流的變化周期(t1,t2)，觀察輸出波形的變化；

3）記錄使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1最大，Vo-min及Vo-stable2最小的測(cè)試條件, 測(cè)量輸出電壓的各對(duì)應(yīng)值及輸出響應(yīng)時(shí)間，并保存波形；

4）在步驟3的動(dòng)態(tài)電流的變化周期下，改變其他輸出負(fù)載條件，使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1最大，Vo-min及Vo-stable2最小，測(cè)量并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)；

5）以步驟3及4找到的最差負(fù)載條件為負(fù)載，以待測(cè)電源所提供的各種開機(jī)方式開機(jī)(如AC on, PS_ON on)；

6）依次改變測(cè)試條件(動(dòng)態(tài)負(fù)載起始點(diǎn)，輸入電壓/頻率及環(huán)境溫度)，重復(fù)步驟2、3、4、5；

7）同樣方法測(cè)試其他輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

6什么樣的結(jié)果算合格?

各輸出測(cè)量值符合規(guī)格要求：

不能有震鈴(Ringing, 反饋回路欠阻尼)現(xiàn)象,

待測(cè)電源不可以損壞(Damaged/Broken down),

待測(cè)電源不可以工作不穩(wěn)定，甚至關(guān)機(jī)(Shut down),

響應(yīng)時(shí)間符合要求。

判定圖例 1

如下圖中的各輸出測(cè)量值符合規(guī)格要求；雖有過阻尼，但可接受；

判定圖例 2

雖然如下圖中的各輸出測(cè)量值符合規(guī)格要求，但反饋回路欠阻尼(不穩(wěn)定)，故不能接

受。

上一個(gè)電源動(dòng)態(tài)負(fù)載實(shí)測(cè)波形

7動(dòng)態(tài)響應(yīng)與什么有關(guān)？該如何整改？

動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，關(guān)系到環(huán)路的響應(yīng)特性。好與差在動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)體現(xiàn)很明顯。下供助相關(guān)資料闡述動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)與環(huán)路要求：

改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的對(duì)策參考：

適當(dāng)改善反饋響應(yīng)速率(如適當(dāng)減小431上RC電路中的電容量、增加光耦電流、減小電流檢測(cè)PIN腳上RC電路中的電容值)，但需注意噪聲、重載開機(jī)問題；另外，這一方案也受制于實(shí)際設(shè)計(jì)方案的選擇：

PWM方式受最大占空比的限制(Flyback：約0.8，單端正激0.5，其他如Push-pull、Half-bridge，F(xiàn)ull-bridge等為0.8，Boost為0.9等)，因此設(shè)計(jì)初期最大占空比的選擇就應(yīng)當(dāng)保留一定的余量；

PFM方式也受制于工作頻率限制，以免產(chǎn)生噪聲或EMI的問題；

在容許的情況下(較低的電容電壓)，盡可能讓占空比或開關(guān)頻率在動(dòng)態(tài)情形下逐步增大，以避免如電流應(yīng)力加大等問題；

增加輸出電容容量或并聯(lián)數(shù)量，適當(dāng)降低輸出儲(chǔ)能電感的感量

電感中的電流不能突變，這是影響輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵，尤其在CCM模式的時(shí)候，因此，適當(dāng)降低感量可以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但需要考慮輕載時(shí)的反饋穩(wěn)定性問題(CCM轉(zhuǎn)變成DCM會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定)

電容的電流可以突變，因此，可以考慮適當(dāng)考慮增加電容容量或數(shù)量來改善，如果Layout空間允許的話。

采用多個(gè)變換器并聯(lián)方案，但成本會(huì)較高，這在電流變化速率要求較高的場(chǎng)合(如CPU供電的3~6相V-core電路)；

增加開關(guān)頻率，以更快的速度傳遞能量，但需考慮元器件的頻率特性、EMC及效率等問題；

以上的方案在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮。當(dāng)然，也可能存在其他的解決方案，有待研究。