实测干货分享|如何使用示波器和AFG测试电源的负载瞬态响应？

应用背景

对于具有比较稳定的负载的通用型DC/DC转换器来说，快速的回路响应特性是不需要的，因而也不必进行负载瞬态响应特性的测试。但在把快速阶跃变化的负载施加到一个稳压器上时，必然在很宽的频带内对调节回路造成冲击，在某些情况下甚至可能逼迫它们运行在控制回路的极限之下。

通过将一个快速变化的阶跃负载施加到一个转换器的输出端，再对其输出电压的响应过程进行分析，可让我们快速而且容易地知道这个转换器在面临这样的状况时能否维持其输出电压的稳定，同时也能凸显出可能存在的环路稳定性问题、电源供应的稳定性问题、斜坡补偿问题、负载调节性能和PCB布局问题。

图1显示了一个电流模式Buck转换器在其负载发生1A快速跳变时典型的响应过程，其输出电压正常值VOUT NOM = 3.3V。

图1. 电流模式Buck转换器面对快速瞬变负载时的响应

电流模式转换器对负载的阶跃变化不能做出即时响应，所以，当负载发生阶跃变化的时候，供给负载的电流最初是来源于输出电容里的储能。面对负载的快速跳变，输出电容的ESR和ESL首先起作用，在输出电压上表现为一个不大的跳变和尖峰，然后才是输出电容放电的开始，这将造成输出电压的下沉。

输出电压的下降将被误差放大器感知到，相应地，这将导致VCOMP的上升，这又会增加开关Q1导通的占空比，电感电流因此增大以满足负载增大了的需要。在此过程中，电压下沉的幅度和恢复的时间将取决于多种因素：输出电容的大小，负载电流跳变的幅度和它变化的速度dI/dt，误差放大器的补偿水平和整个控制回路的带宽。

抛开由ESR和ESL造成的尖峰来看，转换器的阶跃响应过程在这个案例中看起来是非常平滑的，这表明此转换器的表现是稳健的。响应过程中的电压下沉幅度为75mV，相当于输出电压的2.2%，这对大部分3.3V的电源供应来说是可以接受的。需要注意的是，如果我们使用的输出电容是低ESR的MLCC，由ESR所造成的跳变通常就看不出来。

可能影响转换器面对负载阶跃的响应过程的情形大概有这些：

1. 不稳定的控制回路：当控制回路调整得不好时，转换器的控制作用可能过头，快速负载阶跃可能导致输出电压的颠簸或是存在振铃现象，某些情况下甚至可能进入振荡状态。

2. 不稳定的电源供应：转换器输出端的负载跳变会导致转换器输入端的电源供应器的负载跳变。假如电源供应器的稳定性不好，或者是与转换器匹配得不好，则电源供应器自身就可能振荡起来，这必然会传递到转换器的输出端，看起来就像转换器的控制回路不稳定一样。

3. 斜坡补偿问题：电流模式转换器采用斜坡补偿方法避免高占空比应用中可能出现的次谐波振荡。为了让斜坡补偿工作正常，适当程度的电感电流纹波是必须的。电感选择不当会导致不当的电流纹波，并在遇到阶跃负载时出现不稳定的次谐波。

4. 在占空比极限下工作：当转换器在靠近最小/最大占空比的状态下运行时，负载的快速阶跃变化将使转换器触及占空比的极限，这将导致输出电压下沉或上冲过度，某些时候甚至会造成转换器运作在保护模式下。

5. PCB布局问题：假如由于PCB布局而造成的阻抗出现在转换器的小信号环节和功率环节上，电压的耗损和噪声的耦合就会发生，这将劣化转换器对阶跃负载的响应特性。假如负载处在远离转换器的地方，多出来的路径阻抗会在负载增加时导致电压的下沉，劣化转换器的负载调整性能。此外，当负载发生跳变时，路径电感也能导致振铃信号的出现。

下图显示了一个3.3V / 3A转换器负载阶跃响应较差和良好的例子。左边的例子显示调节器输出电压在负载暂态后出现严重的振铃现象，说明控制回路具有边际稳定性。在大多数情况下，这与反馈回路补偿结合输出电容值有关。

审核编辑：汤梓红