O que é resposta transitória?

Um conversor de energia ideal precisa manter uma tensão de saída estável, não importa como a carga mude. No entanto, em aplicações, a etapa de carga de saída afetará a tensão de saída. Por exemplo, a quantidade de variação da tensão de saída medida para diferentes cargas no estado estacionário é a regulação da carga. Quando a carga muda em um estado transitório, é necessário considerar o overshoot, undershoot e o tempo de recuperação da tensão de saída. Esses três indicadores contam com o sistema de compensação do conversor. Este artigo apresentará o processo de ocorrência da resposta transitória e os fatores que afetam a resposta transitória e observará as mudanças na tensão de saída sob diferentes condições através da medição da forma de onda real e fornecerá sugestões para melhorias.

1. Resposta transitória

Quando a carga muda instantaneamente, a tensão de saída produzirá uma reação. Em outras palavras, o processo de retorno ao valor ajustado após a tensão de saída subir ou descer, que é chamado de resposta transitória.

A seguir, o conversor de energia é usado para analisar como ocorre a resposta transitória. A Figura 1 é um diagrama de circuito esquemático do conversor de energia. E a figura 2 mostra o processo que quando a corrente de carga de leve para pesada, a tensão de saída e a corrente do indutor reagem ao mesmo tempo. Sob as mudanças de corrente, a capacitância não pode ser considerada como um capacitor ideal, então elementos parasitas devem ser considerados, incluindo resistência em série equivalente (ESR) e indutância em série equivalente (ESL).

Quando o degrau de carga e a corrente de saída aumentam instantaneamente, o conversor não pode responder para fornecer corrente suficiente imediatamente. Assim, o capacitor de saída descarrega para compensar a falta de corrente de saída, e o ESR e o ESL do capacitor de saída farão a tensão no capacitor de saída cair. A ESR causa uma queda de tensão e está positivamente correlacionada com o grau de mudança de carga. ESL reduz a tensão em ambos os lados do capacitor de saída e gera picos. De acordo com as características da indutância, os picos gerados pelo ESL estão relacionados ao tempo transitório da carga. Se quanto mais rápido a carga aumentar, maiores serão os picos de tensão gerados.

Quando a queda de tensão é detectada pelo amplificador de erro, o sistema de feedback aumentará a tensão do compensador e aumentará o tempo de ativação da chave Q1. Para que a corrente do indutor aumente para atender à corrente de carga aumentada e o capacitor comece a carregar. A tensão de saída tende a ser estável.

O teste de resposta transitória pode entender a estabilidade da tensão de saída do conversor. As especificações do conversor de potência geralmente definem o tempo de resposta transiente e a tolerância da tensão de saída. Deve-se observar durante a medição que o tempo de transiente de carga deve ser muito menor que o tempo de recuperação de transiente, e o período de transiente de carga deve ser maior que o tempo de recuperação do conversor, caso contrário o problema de estabilidade não poderá ser exibido na forma de onda.

A figura a seguir mostra uma forma de onda de resposta transiente típica. Neste caso, a saída é 12VDC, a carga é de 75% a 100% a 75%, a variação máxima de tensão é 100mV, o que equivale a 0.8% da tensão de saída, e o tempo de recuperação é 250ms. O processo de recuperação de transientes de tensão é uma curva suave, mostrando características estáveis ​​do circuito.

2. Os fatores afetam a resposta transitória

No sistema de controle geral, vários fatores afetam o desempenho da resposta transitória. Em primeiro lugar, os componentes usados ​​em todo o loop, como acoplamento óptico, diodos e transformadores, possuem tempo de atraso. Isso significa que quando a carga mudar, o conversor iniciará a reação após o tempo de atraso mínimo. Este tempo de atraso mínimo não representa o tempo de resposta transitório, mas apenas uma pequena parte dele.

Os principais fatores que afetam a resposta transitória como o nível de compensação do amplificador de erro interno. O amplificador de erro é usado para ajustar o PWM (Pulse Width Modulation), e o PWM modula o tempo de ativação do transistor para responder à mudança na tensão de saída. E a largura de banda da malha de controle afetará a velocidade de ajuste. Quando a largura de banda é maior, o transiente de carga pode se ajustar mais rapidamente.

Dois fatores afetam a resposta transitória em condições externas. Uma delas é a capacitância de saída. Se a capacitância for grande, o undershoot ou overshoot da tensão de saída pode ser reduzido, mas o tempo de recuperação aumentará. A segunda é a magnitude da variação e a taxa de variação da corrente de carga. Quando a corrente de carga aumenta ou diminui lentamente, o valor de pico da tensão de saída é pequeno. Além disso, quando a magnitude do degrau de carga aumenta, a tensão de saída aumenta ou diminui drasticamente.

3. A forma de onda

• Diferente de capacitância

Quando a etapa de carga é fixa (50% a 100% da carga), a única alteração é o valor da capacitância do capacitor de saída. Ele pode saber das três formas de onda a seguir que quanto maior a capacitância, menor a variação da tensão de saída, mas o tempo de recuperação aumentará.

• Diferentes magnitudes do passo de carga

Quando a capacitância de saída é fixa (100uF), a única diferença é a magnitude da mudança de etapa de carga. Quando a etapa de carga é de 25% da carga (de 75% a 100%), o undershoot da tensão de saída é de 50mV e o tempo de recuperação é de 200us. Em seguida, as figuras 8 e 9 mostram que a etapa de carga aumenta para 50% e 75% da carga, faz com que a tensão de subtensão seja maior e o tempo de recuperação seja maior.

• Taxa diferente de mudança de carga

As figuras a seguir mostram que as diferentes taxas de mudança de carga. Quanto mais rápido a corrente de carga subir ou descer, maior será o undershoot ou overshoot da tensão de saída. Por outro lado, o passo de carga mais lento resulta em menor mudança na tensão de saída.

4. Método aprimorado

• Adicionar capacitor de saída

Para alcançar uma tensão de saída estável, a maneira mais fácil aumentou a capacitância de saída, mas ESR e ESL ainda precisam ser considerados. Os capacitores cerâmicos têm baixo ESR e também são a melhor escolha na redução de transientes de tensão. Geralmente, os capacitores cerâmicos são colocados perto da extremidade de carga da aplicação real. Além de reduzir os transientes de tensão, também evita oscilações na malha de controle do conversor. Além disso, você pode adicionar um capacitor eletrolítico próximo à saída do conversor. Quando há uma etapa de carga, o capacitor eletrolítico reagirá rapidamente no estágio inicial para que o circuito de realimentação possa responder mais rapidamente, o que é útil em circuitos de resposta de realimentação lenta.

 

• Sugestão de layout

Sob cargas dinâmicas, a distância entre o conversor e a carga pode afetar a qualidade da potência de saída. E a resistência e a indutância parasitas no caminho causarão uma queda de tensão de saída e resultarão em má regulação da carga. Portanto, o conversor e a carga precisam ser colocados o mais próximo possível. Para reduzir o efeito da resposta transitória da carga, geralmente, a capacitância de saída é aumentada para reduzir a resposta da tensão de saída, e a posição dos capacitores é mais eficaz no caminho principal da corrente.

5. Resumo

Com a tendência do mercado, muitos produtos eletrônicos tendem a exigir uma corrente mais rápida e maior. Na seleção de conversores de energia, os produtos com tensão de saída estável são mais populares. O teste de resposta transitória pode compreender a estabilidade do circuito de controle, a regulação da carga, o tempo de recuperação transitória e o toque. Após entender os fatores que afetam a resposta transitória, o método de melhoria mais adequado pode ser encontrado para obter um conversor de potência mais estável.

 

 

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