关于瞬态响应的发生过程及其对设计的影响的研究和应对

正常情况下，香蜜湖路上班时间的车辆大多是南行的，如果出现拥堵，一般都在南行方向，北行方向会很顺，所以掉头北行通常不是很大的问题。今天的意外出现在刚跨过深南大道的时候，我突然看到对面路中间站了一个交警，所有北行的车辆都被拦停，心中正在想出了什么状况的时候，突然意识到我的掉头行为将会遇到障碍，于是立刻决定向西绕行经过泰然科技园转泰然四路进入园区。在我实施换道行为的时候看到对面的路上已经排起了长长的车龙，从滨河大道转过来的路上也是停满了车辆，我本来将要进入的掉头车道也排起了长龙，而我转换方向以后的道路却是畅通无阻，很顺利地就到了公司。

在这样一个过程中，对于正常行驶的我来说，对面出现交警造成的堵车就是一个瞬变事件，我决定换道、换路径就是对此瞬变事件的响应。如果我的响应速度慢，就会和前方的车龙汇合，换道过程就会不顺利；如果我响应太快而使得换道速度太快了，就有可能和旁边车道的车辆发生碰撞，造成不安全的问题。所以，我的正确策略应该是用最快的速度感知到堵车的发生，然后用适当的速度换道，平安进入想要进入的路径，这样才能又快又安全地到达目的地。

稳压器工作的目标是提供一个稳定的电压给负载，所以它需要将输出电压取样以后与参考电压进行比较，再根据其间的差异对转换环节的工作状态进行调节使输出稳定在希望的电压上。

误差放大器EA的输入是参考电压VR和反馈电压VFB，VR通常是由IC内部的高精度参考电压源产生的，VFB则是对输出电压Vout的取样，取样的工作由电阻分压器R1和R2完成。EA的输出不是电压而是电流，此电流的方向、大小和VFB与VR的差有关。EA的输出电流经过RC和CC构成的补偿网络进行积分而形成电压，这个电压VC就构成了控制调整管工作状态的控制电压。很显然，由R1和R2构成的分压器是按照两个电阻的比进行取样的，因而VFB的电压波形和Vout的波形完全相同，只是幅度不一样。作为具有极高放大倍数的放大器，EA的输出电流也将完全正比于VFB和VR的差。假如我们将CC短路而只留下RC，EA的输出电流在RC上形成的电压就将直接和VFB与VR的差直接对应，这样造成的调整管的动作过程就会和输出电压的变化过程直接对应，其间几乎没有任何延时、缓冲，这样的电路的反应速度就是最快的，但也是最糟糕的，因为输出误差会被电路放大很多，调整管的工作在极端状况下将是要么全开、要么全关，处在非常简单粗暴的状态，输出特性也不会好起来。CC的存在使得EA输出的误差信号电流能够被转换为平滑的电压，对调整管的控制过程具有很高的线性度，其输出也就是可以预测的了，不同的RC和CC的组合将导致不同的特性的产生。

在稳定状态下，流过调整管的电流与负载电流是相等的，输出电容Cout上的电压无变化，也没有电流流过它。

当负载电流突然增加时，调整管不会马上做出响应，突然增加的电流只能从输出电容Cout中取得，Cout上将出现向外流出的电流，这将造成Vout的下降。在理想情况下，Vout下降的过程将是负载电流新增部分对时间的积分与电容量Cout的商，但由于实际的电容通道存在电感和电阻，它们同时存在于电容内部和电路路径上，实际的电压下降中还要包含电阻形成的电压降和电感对电流的变化形成的阻抗带来的电压降，前者将在电流存在期间持续存在，而后者只是在电流变化期间短暂存在。

无论Vout下降的原因是什么，此信息将通过反馈电阻反映到VFB，并在EA的输出端形成相应的电流并经RC、CC构成的补偿电路转换、滤波后形成新的电压VC去改变调整管的工作状态，使流过它的电流增加以满足负载的需要，同时将Cout中流失了的电量补足，重新回到稳定状态。

由于反馈系统需要电压变化的信号来改变调整管的状态以快速恢复平衡，看起来在电容Cout通道上存在的ESR和ESL对系统的稳定是有利的，但这是有条件的。在上述的过程的开始阶段，ESR和ESL都起到了让电流增加、电压降低的信号被放大的作用，因而系统的响应可以被加快。在系统恢复平衡的过程中，来自调整管的新增电流将向电容里流动，由于变化的方向反了过来，它们带来的作用就是提前让反馈系统感知到输出电压正在上升，但实际上的电容电压却是滞后的，所以它们又起到了让系统变慢的作用。所以，我们在设计稳压电路的时候是需要关注输出电容的ESR和ESL的大小的，合适的参数可以让系统有正确的响应，过了或者是不足，稳压电路的稳定性就会受到影响。

以我们提过的RT9013为例，规格书中建议的输出电容的参数是容量大于或等于1µF，ESR大于5mΩ。规格书没有提到ESL，这是因为陶瓷电容的ESL实在是太小了，但它要求输出电容离输出端的距离要小于0.5inch，这实际上就是在提出ESL的要求，其大小和铜箔的长度是有直接关系的。通常来说，我们希望ESL的值是越小越好，这样就可以正确面对非常快的负载电流的变化。

怎样衡量电流变化的速度呢？看它在单位时间内变化量的大小。当我们使用电子负载给稳压器施加瞬变负载的时候，需要设定的一项参数就是电流的变化速度，其单位一般是xA/µs，我记得我过去常用的电子负载的电流变化最大速度好像是2A/µs。这些电子负载通过测量并调节流过MOSFET的电流的变化速度来实现预设的目标，太高的电流变化速度是不好做的。其实用这种程控之下的负载来模拟真实的负载是有其不足的，有的负载的模拟很难实现，像对LED的模拟就很难做好，有很多人受过设备的欺骗，看不到真实的系统反应，这样的人我也算是一个。

在我的同事所进行的瞬态响应研究中就遇到了电子负载速度太慢的问题，从而影响到对系统稳定性的判断。在电子负载下已经调节好了的响应特性，到了真实的负载下就现了原形：稳定度不足。后来只好自己设计瞬变负载，重新对系统进行测试并调节补偿参数，这样才得到了真正符合需要的稳定性。这项研究所形成的报告名为《怎样利用快速瞬变负载测试DC/DC转换器》，它的正式发表是通过“立锜电子报”的形式来通知读者的，相信在一年前就订阅了“立锜电子报”的读者一定已经阅读过了，还没有订阅的朋友可以通过立锜微信公众号下面的菜单进行订阅，它位于“深入交流”栏目下的“免费加入立锜会员”中，所有的会员都能通过电子邮件收到“立锜电子报”。