過渡応答とは何ですか？

理想的な電力変換器は、負荷がどのように変化しても、安定した出力電圧を維持する必要があります。 ただし、アプリケーションでは、出力負荷ステップが出力電圧に影響します。 たとえば、定常状態でさまざまな負荷に対して測定された出力電圧の変化量は、負荷レギュレーションです。 負荷が過渡状態で変化する場合、出力電圧のオーバーシュート、アンダーシュート、および回復時間を考慮する必要があります。 これらのXNUMXつのインジケータはすべて、コンバータの補償システムに依存しています。 この記事では、過渡応答の発生過程と過渡応答に影響を与える要因を紹介し、実際の波形測定を通じてさまざまな条件下での出力電圧の変化を観察し、改善のための提案を提供します。

1.過渡応答

負荷が瞬時に変化すると、出力電圧が反応します。 つまり、出力電圧が上昇または下降した後、設定値に戻る過程を過渡応答と呼びます。

以下は、過渡応答がどのように発生するかを分析するために使用される電力変換器です。 図1に電力変換器の回路図を示します。 また、図2は、負荷電流が軽いものから重いものへと、出力電圧とインダクタ電流が同時に反応する過程を示しています。 電流の変化により、容量は理想的なコンデンサとは見なされないため、等価直列抵抗（ESR）や等価直列インダクタンス（ESL）などの寄生要素を考慮する必要があります。

負荷ステップと出力電流が瞬時に増加すると、コンバータはすぐに十分な電流を供給するように応答できなくなります。 したがって、出力コンデンサは出力電流の不足を補うために放電し、出力コンデンサのESRとESLによって出力コンデンサの両端の電圧が低下します。 ESRは電圧降下を引き起こし、負荷の変化の程度と正の相関があります。 ESLは、出力コンデンサの両側の電圧を下げ、スパイクを生成します。 インダクタンスの特性によると、ESLによって生成されるスパイクは負荷過渡時間に関連しています。 負荷の上昇が速いほど、電圧スパイクが大きくなります。

エラーアンプによって電圧降下が検出されると、フィードバックシステムによって補償器の電圧が上昇し、スイッチQ1のターンオン時間が長くなります。 増加した負荷電流に合わせてインダクタ電流が上昇し、コンデンサが充電を開始します。 出力電圧は安定する傾向があります。

過渡応答テストは、コンバータの出力電圧の安定性を理解できます。 電力変換器の仕様では、通常、過渡応答時間と出力電圧の許容誤差が定義されています。 測定中、負荷過渡時間は過渡回復時間よりもはるかに短く、負荷過渡の周期はコンバータの回復時間よりも長くなければならないことに注意する必要があります。そうしないと、安定性の問題を波形に表示できません。

次の図は、典型的な過渡応答波形を示しています。 この場合、出力は12VDC、負荷は75％から100％から75％、最大電圧変化は100mVで、出力電圧の0.8％に相当し、回復時間は250msです。 過渡電圧回復のプロセスは滑らかな曲線であり、安定した回路特性を示しています。

2.要因は過渡応答に影響を与えます

一般的な制御システムでは、いくつかの要因が過渡応答の性能に影響を与えます。 まず、光結合、ダイオード、トランスなど、ループ全体で使用されるコンポーネントには遅延時間があります。 これは、負荷が変化すると、コンバーターが最小遅延時間後に反応を開始することを意味します。 この最小遅延時間は過渡応答時間を表すものではなく、そのごく一部にすぎません。

内部エラーアンプの補償レベルなど、過渡応答に影響を与える主な要因。 エラーアンプはPWM（パルス幅変調）を調整するために使用され、PWMは出力電圧の変化に応答するようにトランジスタのオン時間を変調します。 また、制御ループの帯域幅は調整速度に影響します。 帯域幅が大きい場合、負荷過渡はより迅速に調整できます。

XNUMXつの要因が外部条件での過渡応答に影響を与えます。 XNUMXつは出力容量です。 容量が大きい場合、出力電圧のアンダーシュートまたはオーバーシュートは減少しますが、回復時間は長くなります。 XNUMXつ目は、負荷電流の変化の大きさと変化率です。 負荷電流の増減が遅い場合、出力電圧のピーク値は小さくなります。 また、負荷ステップの大きさが大きくなると、出力電圧が急激に上下します。

3.波形

• 静電容量の違い

負荷ステップが固定されている場合（50％から100％の負荷）、唯一の変化は出力コンデンサの容量値です。 次のXNUMXつの波形から、容量が大きいほど出力電圧の変動は少ないことがわかりますが、回復時間は長くなります。

• 負荷ステップの大きさが異なる

出力容量が固定（100uF）の場合、唯一の違いは負荷ステップの変化の大きさです。 負荷ステップが25％負荷（75％から100％）の場合、出力電圧のアンダーシュートは50mVで、回復時間は200usです。 次に、図8と図9は、負荷ステップが50％と75％の負荷に増加し、アンダーシュート電圧が大きくなり、回復時間が長くなることを示しています。

• 負荷変化率の違い

次の図は、さまざまな負荷率の変化を示しています。 負荷電流の上昇または下降が速いほど、出力電圧のアンダーシュートまたはオーバーシュートが大きくなります。 対照的に、負荷ステップが遅いと、出力電圧の変化が少なくなります。

4.改善された方法

• 出力コンデンサを追加します

安定した出力電圧を実現するには、最も簡単な方法で出力容量を増やしますが、ESRとESLを考慮する必要があります。 セラミックコンデンサはESRが低く、過渡電圧を低減するのにも適しています。 一般に、セラミックコンデンサは実際のアプリケーションの負荷端の近くに配置されます。 過渡電圧を低減するだけでなく、コンバータの制御ループの発振も回避します。 また、コンバータの出力付近に電解コンデンサを追加することができます。 負荷ステップがある場合、電解コンデンサは初期段階で迅速に反応するため、フィードバック回路はより速く応答できます。これは、遅いフィードバック応答回路で役立ちます。

 

• レイアウトの提案

動的負荷の下では、コンバータと負荷の間の距離が出力電力の品質に影響を与える可能性があります。 また、パス上の寄生抵抗とインダクタンスにより、出力電圧が低下し、負荷レギュレーションが不十分になります。 したがって、コンバーターと負荷は可能な限り近くに配置する必要があります。 負荷過渡応答の影響を低減するために、一般に、出力容量を増加させて出力電圧応答を低減し、コンデンサの位置は主電流経路で最も効果的です。

5。 概要

市場の動向に伴い、多くの電子製品はより速く、より大きな電流を必要とする傾向があります。 電力変換器の選択では、出力電圧が安定している製品がより人気があります。 過渡応答テストでは、制御ループの安定性、負荷レギュレーション、過渡回復時間、およびリンギングを理解できます。 過渡応答に影響を与える要因を理解した後、より安定した電力変換器を得るための最も適切な改善方法を見つけることができます。

 

 

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