Cos'è la risposta transitoria?

Un convertitore di potenza ideale deve mantenere una tensione di uscita stabile, indipendentemente dalle variazioni del carico. Tuttavia, nelle applicazioni, il gradino del carico di uscita influirà sulla tensione di uscita. Ad esempio, la quantità di variazione della tensione di uscita misurata per diversi carichi in regime stazionario è la regolazione del carico. Quando il carico cambia in uno stato transitorio, è necessario considerare l'overshoot, l'undershoot e il tempo di ripristino della tensione di uscita. Questi tre indicatori si basano tutti sul sistema di compensazione del convertitore. Questo articolo introdurrà il processo di occorrenza della risposta transitoria e i fattori che influenzano la risposta transitoria e osserverà le variazioni della tensione di uscita in condizioni diverse attraverso la misurazione della forma d'onda effettiva e fornirà suggerimenti per il miglioramento.

1. Risposta transitoria

Quando il carico cambia istantaneamente, la tensione di uscita produrrà una reazione. In altre parole, il processo di ritorno al valore impostato dopo che la tensione di uscita aumenta o diminuisce, che è chiamato risposta transitoria.

Quanto segue è il convertitore di potenza utilizzato per analizzare come si verifica la risposta transitoria. La figura 1 è uno schema circuitale schematico del convertitore di potenza. E la figura 2 mostra il processo che quando la corrente di carico da leggera a pesante, la tensione di uscita e la corrente dell'induttore reagiscono contemporaneamente. Sotto le variazioni di corrente, la capacità non può essere considerata un condensatore ideale, quindi è necessario considerare gli elementi parassiti, tra cui la resistenza in serie equivalente (ESR) e l'induttanza in serie equivalente (ESL).

Quando il gradino di carico e la corrente di uscita aumentano istantaneamente, il convertitore non può rispondere per fornire immediatamente una corrente sufficiente. Quindi il condensatore di uscita si scarica per compensare la mancanza di corrente di uscita e l'ESR e l'ESL del condensatore di uscita faranno diminuire la tensione attraverso il condensatore di uscita. L'ESR provoca una caduta di tensione ed è positivamente correlato al grado di variazione del carico. ESL riduce la tensione su entrambi i lati del condensatore di uscita e genera picchi. In base alle caratteristiche dell'induttanza, i picchi generati da ESL sono legati al tempo transitorio del carico. Se più velocemente aumenta il carico, maggiori saranno i picchi di tensione generati.

Quando la caduta di tensione viene rilevata dall'amplificatore di errore, il sistema di feedback aumenterà la tensione del compensatore e aumenterà il tempo di accensione dell'interruttore Q1. In modo che la corrente dell'induttore aumenti per soddisfare l'aumento della corrente di carico e il condensatore inizi a caricarsi. La tensione di uscita tende a stabilizzarsi.

Il test di risposta transitoria può comprendere la stabilità della tensione di uscita del convertitore. Le specifiche del convertitore di potenza di solito hanno definito il tempo di risposta transitorio e la tolleranza della tensione di uscita. Si deve notare durante la misurazione che il tempo del transitorio di carico dovrebbe essere molto più breve del tempo di ripristino del transitorio, e il periodo del transitorio di carico deve essere maggiore del tempo di ripristino del convertitore, altrimenti il ​​problema di stabilità non può essere visualizzato sulla forma d'onda.

La figura seguente mostra una tipica forma d'onda di risposta transitoria. In questo caso, l'uscita è 12VDC, il carico è dal 75% al ​​100% al 75%, la variazione di tensione massima è 100mV, che equivale allo 0.8% della tensione di uscita, e il tempo di ripristino è di 250ms. Il processo di recupero del transitorio di tensione è una curva regolare, che mostra caratteristiche del circuito stabili.

2. I fattori influenzano la risposta transitoria

Nel sistema di controllo generale, diversi fattori influenzano le prestazioni della risposta transitoria. Innanzitutto, i componenti utilizzati nell'intero loop, come accoppiamento ottico, diodi e trasformatori, hanno un tempo di ritardo. Significa che quando il carico cambia, il convertitore inizierà la reazione dopo il tempo di ritardo minimo. Questo tempo di ritardo minimo non rappresenta il tempo di risposta transitorio, ma solo una piccola parte di esso.

I principali fattori che influenzano la risposta transitoria come il livello di compensazione dell'amplificatore di errore interno. L'amplificatore di errore viene utilizzato per regolare il PWM (Pulse Width Modulation) e il PWM modula il tempo di accensione del transistor per rispondere alla variazione della tensione di uscita. E la larghezza di banda del circuito di controllo influenzerà la velocità di regolazione. Quando la larghezza di banda è maggiore, il transitorio di carico può essere regolato più rapidamente.

Due fattori influenzano la risposta transitoria in condizioni esterne. Uno è la capacità di uscita. Se la capacità è elevata, il valore inferiore o superiore a quello della tensione di uscita può ridursi, ma il tempo di ripristino aumenterà. Il secondo è l'entità della variazione e la velocità di variazione della corrente di carico. Quando la corrente di carico aumenta o diminuisce lentamente, il valore di picco della tensione di uscita è piccolo. Inoltre, quando l'entità del gradino di carico aumenta, la tensione di uscita aumenterà o diminuirà bruscamente.

3. La forma d'onda

• Diverso di capacità

Quando il gradino di carico è fisso (dal 50% al 100% del carico), l'unico cambiamento è il valore della capacità del condensatore di uscita. Può sapere dalle seguenti tre forme d'onda che maggiore è la capacità, minore è la variazione della tensione di uscita, ma il tempo di ripristino aumenterà.

• Diversa entità del gradino di carico

Quando la capacità di uscita è fissa (100uF), l'unica differenza è l'entità della variazione del gradino di carico. Quando la fase di carico è del 25% del carico (dal 75% al ​​100%), la tensione di uscita inferiore a 50 mV e il tempo di ripristino è di 200 us. Quindi le figure 8 e 9 mostrano che il gradino di carico aumenta al 50% e al 75% del carico, aumenta la tensione di undershoot e il tempo di ripristino richiede più tempo.

• Diversa velocità di variazione del carico

Le figure seguenti mostrano che la diversa velocità di carico cambia. Più velocemente la corrente di carico aumenta o diminuisce, maggiore è la tensione di uscita sotto o sovraelongazione. Al contrario, il gradino di carico più lento risulta minore è la variazione della tensione di uscita.

4. Metodo migliorato

• Aggiungi condensatore di uscita

Per ottenere una tensione di uscita stabile, il modo più semplice è aumentare la capacità di uscita, ma è comunque necessario considerare ESR ed ESL. I condensatori ceramici hanno una bassa ESR e sono anche una scelta migliore per ridurre i transitori di tensione. In genere, i condensatori ceramici si trovano vicino all'estremità di carico dell'applicazione effettiva. Oltre a ridurre i transitori di tensione, evita anche le oscillazioni nel circuito di controllo del convertitore. Inoltre, puoi aggiungere un condensatore elettrolitico vicino all'uscita del convertitore. Quando c'è un gradino di carico, il condensatore elettrolitico reagirà rapidamente nella fase iniziale in modo che il circuito di feedback possa rispondere più velocemente, il che è utile nei circuiti di risposta di feedback lento.

 

• Proposta di layout

Sotto carichi dinamici, la distanza tra il convertitore e il carico può influire sulla qualità della potenza di uscita. E la resistenza parassita e l'induttanza sul percorso causeranno una caduta di tensione in uscita e provocheranno una scarsa regolazione del carico. Quindi il convertitore e il carico devono essere posizionati il ​​più vicino possibile. Per ridurre l'effetto della risposta transitoria del carico, generalmente, la capacità di uscita viene aumentata per ridurre la risposta della tensione di uscita e la posizione dei condensatori è più efficace nel percorso di corrente principale.

5. Riassunto

Con la tendenza del mercato, molti prodotti elettronici tendono a richiedere una corrente più veloce e maggiore. Nella selezione dei convertitori di potenza, i prodotti con tensione di uscita stabile sono più popolari. Il test di risposta transitoria può comprendere la stabilità del circuito di controllo, la regolazione del carico, il tempo di recupero transitorio e lo squillo. Dopo aver compreso i fattori che influenzano la risposta transitoria, si può trovare il metodo di miglioramento più appropriato per ottenere un convertitore di potenza più stabile.

 

 

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