為什么開關電源需要測試動態(tài)響應？

電源動態(tài)響應測試，什么樣的波形算合格？

1導讀

概念

動態(tài)響應一般是指控制系統(tǒng)在典型輸入信號的作用下，其輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應。對某一環(huán)節(jié)（系統(tǒng)）加入單位階躍輸入x(t)時，其響應y(t)開始逐漸上升，直到穩(wěn)定在某一定值上為止。響應y(t)在達到一定值之前的變化狀態(tài)稱為過渡狀態(tài)（動態(tài)）。此稱為動態(tài)響應。

工程師在設計電源時，動態(tài)響應是必不可少的一項測試指標。由于涉及環(huán)路問題一直是很多工程師的心病，下面從幾個方面來談一談動態(tài)響應希望對大家有所幫助:

為什么開關電源需要測試動態(tài)響應？

電源動態(tài)響應的一般測試方法和要求

測試條件測試數(shù)據(jù)及示意圖

測試步驟

什么樣的結果算合格?

動態(tài)響應與什么有關？該如何整改？

2為什么開關電源需要測試動態(tài)響應？

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

3電源動態(tài)響應的一般測試方法和要求

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

注：恢復時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，會至小于等于并不超過穩(wěn)壓精度處止的這段時間。

4測試條件測試數(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)格中定義的動態(tài)負載電流條件及規(guī)格所允許的最小電容負載

溫度：最低工作溫度，常溫及最高工作溫度

示波器采樣方式：一般設為Sample或Hi-res模式

測試示意圖如下

負載設置（如下圖示）

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

開機后按規(guī)格要求，調整負載電流的變化周期(通過改變t1,t2)。

電源測試系列之輸出動態(tài)響應(Output Dynamic Response Test)

如下圖中的各項數(shù)據(jù)：

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

響應時間：tR1，tR2

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

測量波形數(shù)據(jù)

如下圖中的各項數(shù)據(jù)：

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

響應時間：tR1，tR2

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

5測試步驟

1）設定最低環(huán)境工作溫度，最小輸入電壓/頻率；對需做動態(tài)響應測試的輸出，依規(guī)格要求設定其負載電流的起、止點，負載電流的上升、下降速率(Slew Rate)及負載電流的變化周期；其他輸出負載按照Regulation Table要求設定；

2）開機后按規(guī)格要求，調整負載電流的變化周期(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最小的測試條件, 測量輸出電壓的各對應值及輸出響應時間，并保存波形；

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

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

6）依次改變測試條件(動態(tài)負載起始點，輸入電壓/頻率及環(huán)境溫度)，重復步驟2、3、4、5；

7）同樣方法測試其他輸出動態(tài)響應。

6什么樣的結果算合格?

各輸出測量值符合規(guī)格要求：

不能有震鈴(Ringing, 反饋回路欠阻尼)現(xiàn)象,

待測電源不可以損壞(Damaged/Broken down),

待測電源不可以工作不穩(wěn)定，甚至關機(Shut down),

響應時間符合要求。

判定圖例 1

如下圖中的各輸出測量值符合規(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。

上一個電源動態(tài)負載實測波形

7動態(tài)響應與什么有關？該如何整改？

動態(tài)負載特性，關系到環(huán)路的響應特性。好與差在動態(tài)負載時體現(xiàn)很明顯。下供助相關資料闡述動態(tài)特性的特點與環(huán)路要求：

改善動態(tài)響應的對策參考：

適當改善反饋響應速率(如適當減小431上RC電路中的電容量、增加光耦電流、減小電流檢測PIN腳上RC電路中的電容值)，但需注意噪聲、重載開機問題；另外，這一方案也受制于實際設計方案的選擇：

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)，因此設計初期最大占空比的選擇就應當保留一定的余量；

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頻率在動態(tài)情形下逐步增大，以避免如電流應力加大等問題；

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

電感中的電流不能突變，這是影響輸出動態(tài)響應的關鍵，尤其在CCM模式的時候，因此，適當降低感量可以改善動態(tài)響應，但需要考慮輕載時的反饋穩(wěn)定性問題(CCM轉變成DCM會造成系統(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。

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

增加開關頻率，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；

以上的方案在實際應用中，需綜合考慮。當然，也可能存在其他的解決方案，有待研究。