2021年06月11日 | 什么叫瞬态响应？如何减小瞬态电压变化幅度确保测量精度

什么叫瞬态响应？

瞬态响应是当负载吸收电流发生跳变的瞬间，就会造成电源输出端的电压瞬间偏离设定值。

首先来看一下这个波形（图１）， 大约 120 mV 的电压跌落，持续时间约为 30 uS。这是一个高性能的程控电源的输出，当负载电流猛然增大时，输出电压瞬间的变化情况。

图1：负载电流从1 mA 跳变到 500 mA 时，输出电压的变化

这是任何电源都存在的问题。当负载吸收电流发生跳变的瞬间，就会造成电源输出端的电压瞬间偏离设定值。 这个示波器屏幕的截图（图1），就是当我的一个电源的负载电流，从1mA 瞬间变化到 500 mA 时， 输出电压经历了约 30 uS 瞬间变化。

电源的这个特性，就是我们通常所称的负载瞬态恢复时间，或者瞬态响应时间。它表征的是，当负载电流发生突然变化的时候，电源电压恢复到设定范围内所需要的时间。如图2所示：

图2：负载电流突然变化，造成电源电压出现瞬态响应

在表征电源的瞬态响应， 我们会考虑 3 点：

1. 负载的幅度变化，例如，负载从全负载的 50%， 跳变到 100% 负载。对于最大 10 A 输出电流的电源，就是负载的电流从 5 A 跳变到了 10 A。

2. 电源从开始变化开始，恢复到负载改变前设定电压的一定范围之内。需要注意的是，由于负载的改变和电源的负载效应双重影响，电源电压不可能回到负载改变前的值。这样，我们就会规范一个范围，例如恢复到负载改变前电压的 ±20 mV 之内，或 ±0.1% 之内。

3. 瞬态响应时间就是电压恢复指定电源范围内需要的时间值。

不同的电源就有不同的瞬态响应时间。例如，是德科技 N6705直流电源分析仪中所用的高性能模块 N6751A 和精密模块 N6761A， 在指标中标为：

1. 当负载从60% 跳变到100%， 或者从100%跳变到60%时，

2. 电压恢复到设定值的 ± 75 mV

3. 瞬态响应时间：< 100 μs

瞬态电压特性是电源本身固有的特性。 电源内部有很多的储能元件，电压的调整需要从输出回读、比较标准电压、调整开关占空比等一系列过程。提高控制回路的速度，可以提供更短的瞬态响应时间。 但有可能造成输出非常不稳定，甚至出现振荡，就像我在图 2 中所示的。因此，具备快速瞬态响应能力的电源，通常为了保证输出质量，就必须采用一些更为先进的技术，从而提升了成本和价格。

如果电压瞬态响应能力较差，导致电压跌落/过冲时间过长，幅度过大，直接会造成很多问题。 特别是对于不停快速变化的负载，如手机、Wifi、无线传感器等这些无线通信的设备和器件， 其变化速度可能已经超过电源的瞬态响应能力，就会使电源电压无法达到其设定值，甚至还会造成被测件的自动关机或重复启动。这会让测量无法正常进行。因此，如果有这种应用，就必须考虑采用一个更快响应能力的电源。

瞬态电压过冲或跌落幅度通常不被表怔, 这是由于该参数很大程度上取决与负载的特性。 通常情况下，这个值会小于 1 V。但市面上有些电源的瞬态响应时间过长，如果处理不好，在负载、电源及导线共同影响下, 过冲电压可能会达到 1- 4 V。

如何减小瞬态电压变化幅度，以确保被测件的正常工作和精确的测量？

为了减小瞬态电压变化幅度，一个常用的做法是在电路中并联一个大电容，如图3所示。

图3：在电路中并联电容的方法

在加入电容后，对提升电路的瞬态响应能力，往往会起到比较明显的效果。如图4所示的，我们在用一个通用电源测量手机脉冲电流，在没有并联电容的时候，瞬间电源跌落会达到 0.6 V （见图 4 左）. 对于一个工作在 3.8 V 的手机来说，这样大的电源跌落足以造成手机自动关机。当我们并联了一个 2000 uF 的电容后，电源跌落降到了 0.2 V 以下，得到明显改善，见图 4 右所示。

图4：用一个通用电源给手机供电，在电路中加入电容效果比较

但并联电容的方法会带来以下负面的影响，主要有：

1. 使自动测试系统的速度下降

2. 降低电流的测量精度

3. 占用测试夹具的内部空间

4. 影响开关的寿命

因此，如果我们的被测件有类似的负载特性，必须要考虑使用具备高速电压瞬态响应能力的电源。例如是德科技 N6780 系列电源模块。如表 1 所示，其负载在 10-90% 范围内变化时，其瞬变时间小于 35 uS, 而电压的跌落也可控制在 40 mV 之内。

在图5中， 就是利用 N6781A电源模块启用了电池内阻仿真后，给同样的手机供电。

图5: N6781A 设置了 150 毫欧的电池内阻仿真

在图5中，我们可以看到 N6781A 电池内阻仿真，是电流在高点时，仿真出了电池的负载效应。 在没有并联电容的情况下，由于电源本身的快速电压瞬态响应能力，在测试过程中并没有看到明显的瞬间电压跌落或脉冲。N6705C 直流电源分析仪，模块化，600 W，4 个插槽 在图5中，我们可以看到 N6781A 电池内阻仿真，是电流在高点时，仿真出了电池的负载效应。 在没有并联电容的情况下，由于电源本身的快速电压瞬态响应能力，在测试过程中并没有看到明显的瞬间电压跌落或脉冲。

因此，如果您的被测件负载是一个动态的负载，在测量过程中， 由于负载电流的瞬变， 会造成负载端电压的不稳定，这是就考虑为其供电的电源具备快速瞬态响应能力， 快速补偿可能出现的瞬间跌落和脉冲，以确保测试工作的顺利进行。