Was ist eine transiente Reaktion?

Ein idealer Leistungswandler muss eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhalten, egal wie sich die Last ändert. In Anwendungen wirkt sich der Ausgangslastschritt jedoch auf die Ausgangsspannung aus. Beispielsweise ist der Betrag der Änderung der Ausgangsspannung, der für verschiedene Lasten im stationären Zustand gemessen wird, die Lastregelung. Wenn sich die Last in einem transienten Zustand ändert, müssen Überschwinger, Unterschwinger und die Erholungszeit der Ausgangsspannung berücksichtigt werden. Diese drei Indikatoren stützen sich alle auf das Kompensationssystem des Konverters. Dieser Artikel stellt den Entstehungsprozess des Einschwingverhaltens und die Faktoren vor, die das Einschwingverhalten beeinflussen, und beobachtet die Änderungen der Ausgangsspannung unter verschiedenen Bedingungen durch tatsächliche Wellenformmessung und gibt Verbesserungsvorschläge.

1. Einschwingverhalten

Wenn sich die Last sofort ändert, erzeugt die Ausgangsspannung eine Reaktion. Mit anderen Worten, der Prozess der Rückkehr zum eingestellten Wert, nachdem die Ausgangsspannung ansteigt oder abfällt, was als Einschwingverhalten bezeichnet wird.

Im Folgenden wird der Stromrichter verwendet, um zu analysieren, wie das Einschwingverhalten auftritt. Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild des Leistungswandlers. Und Abbildung 2 zeigt den Prozess, dass Ausgangsspannung und Induktorstrom gleichzeitig reagieren, wenn der Laststrom von leicht zu stark wird. Unter den Stromänderungen kann die Kapazität nicht als idealer Kondensator betrachtet werden, daher müssen parasitäre Elemente berücksichtigt werden, einschließlich des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) und der äquivalenten Serieninduktivität (ESL).

Wenn der Lastschritt und der Ausgangsstrom sofort ansteigen, kann der Wandler nicht reagieren, um sofort genügend Strom bereitzustellen. Der Ausgangskondensator entlädt sich also, um den fehlenden Ausgangsstrom auszugleichen, und ESR und ESL des Ausgangskondensators lassen die Spannung am Ausgangskondensator abfallen. ESR verursacht einen Spannungsabfall und ist positiv mit dem Grad der Laständerung korreliert. ESL reduziert die Spannung auf beiden Seiten des Ausgangskondensators und erzeugt Spitzen. Entsprechend den Eigenschaften der Induktivität hängen die von ESL erzeugten Spitzen mit der Lasttransientenzeit zusammen. Je schneller die Last ansteigt, desto größer werden die Spannungsspitzen erzeugt.

Wenn der Spannungsabfall vom Fehlerverstärker erkannt wird, erhöht das Rückkopplungssystem die Spannung des Kompensators und erhöht die Einschaltzeit des Schalters Q1. Damit steigt der Induktorstrom an, um dem erhöhten Laststrom zu entsprechen, und der Kondensator beginnt mit dem Laden. Die Ausgangsspannung tendiert zum stabilen Zustand.

Der Einschwingtest kann die Stabilität der Ausgangsspannung des Wandlers verstehen. Die Spezifikationen des Stromrichters haben normalerweise die Einschwingzeit und die Toleranz der Ausgangsspannung definiert. Es muss während der Messung beachtet werden, dass die Lasttransientenzeit viel kürzer als die Transientenerholzeit sein sollte und die Periode des Lasttransienten größer sein muss als die Erholzeit des Wandlers, sonst kann das Stabilitätsproblem nicht auf der Wellenform angezeigt werden.

Die folgende Abbildung zeigt eine typische Transientenantwort-Wellenform. In diesem Fall beträgt der Ausgang 12 VDC, die Last 75 % bis 100 % bis 75 %, die maximale Spannungsänderung 100 mV, was 0.8 % der Ausgangsspannung entspricht, und die Erholungszeit 250 ms. Der Prozess der Spannungsspitzenwiederherstellung ist eine glatte Kurve, die stabile Schaltungseigenschaften zeigt.

2. Die Faktoren beeinflussen das Einschwingverhalten

In dem allgemeinen Steuersystem beeinflussen mehrere Faktoren die Leistung des Einschwingverhaltens. Zunächst einmal haben die in der gesamten Schleife verwendeten Komponenten wie optische Kopplung, Dioden und Transformatoren eine Verzögerungszeit. Dies bedeutet, dass der Umrichter bei einer Laständerung nach der Mindestverzögerungszeit mit der Reaktion beginnt. Diese minimale Verzögerungszeit stellt nicht die Einschwingzeit dar, sondern nur einen kleinen Teil davon.

Die Hauptfaktoren, die das Einschwingverhalten beeinflussen, sind der Kompensationspegel des internen Fehlerverstärkers. Der Fehlerverstärker wird verwendet, um die PWM (Pulsweitenmodulation) einzustellen, und die PWM moduliert die Einschaltzeit des Transistors, um auf die Änderung der Ausgangsspannung zu reagieren. Und die Bandbreite des Regelkreises wirkt sich auf die Anpassungsgeschwindigkeit aus. Wenn die Bandbreite größer ist, kann sich die Lasttransiente schneller anpassen.

Zwei Faktoren beeinflussen das Einschwingverhalten bei äußeren Bedingungen. Einer ist die Ausgangskapazität. Wenn die Kapazität groß ist, kann sich das Unterschwingen oder Überschwingen der Ausgangsspannung verringern, aber die Erholungszeit verlängert sich. Die zweite ist die Größe der Änderung und die Änderungsrate des Laststroms. Wenn der Laststrom langsam ansteigt oder abfällt, ist der Spitzenwert der Ausgangsspannung klein. Außerdem steigt oder fällt die Ausgangsspannung stark, wenn die Größe des Lastsprungs zunimmt.

3. Die Wellenform

• Unterschiedliche Kapazität

Wenn der Lastschritt fest ist (50 % bis 100 % Last), ist die einzige Änderung der Kapazitätswert des Ausgangskondensators. Aus den folgenden drei Wellenformen kann er erkennen, dass je größer die Kapazität ist, desto geringer die Schwankung der Ausgangsspannung ist, aber die Erholungszeit verlängert sich.

• Unterschiedliche Größe des Lastsprungs

Wenn die Ausgangskapazität fest ist (100 uF), besteht der einzige Unterschied in der Größe der Lastsprungänderung. Wenn der Lastschritt 25 % Last beträgt (von 75 % auf 100 %), beträgt die Unterschreitung der Ausgangsspannung 50 mV und die Erholungszeit 200 us. Dann zeigen Abbildung 8 und 9, dass der Lastschritt auf 50 % und 75 % Last ansteigt, die Unterschwingspannung größer wird und die Erholungszeit länger dauert.

• Unterschiedliche Lastwechselgeschwindigkeit

Die folgenden Abbildungen unten zeigen, dass die unterschiedliche Geschwindigkeit der Laständerung. Je schneller der Laststrom ansteigt oder abfällt, desto größer ist das Unterschwingen oder Überschwingen der Ausgangsspannung. Im Gegensatz dazu führt der langsamere Lastschritt zu einer geringeren Änderung der Ausgangsspannung.

4. Verbesserte Methode

• Ausgangskondensator hinzufügen

Um eine stabile Ausgangsspannung zu erreichen, erhöht man am einfachsten die Ausgangskapazität, aber ESR und ESL müssen noch berücksichtigt werden. Keramikkondensatoren haben einen niedrigen ESR und sind auch eine bessere Wahl bei der Reduzierung von Spannungstransienten. Im Allgemeinen werden Keramikkondensatoren in der Nähe des Lastendes der eigentlichen Anwendung platziert. Neben der Reduzierung von Spannungstransienten werden auch Schwingungen im Regelkreis des Umrichters vermieden. Außerdem können Sie einen Elektrolytkondensator in der Nähe des Ausgangs des Wandlers hinzufügen. Bei einem Lastsprung reagiert der Elko in der Anfangsphase schnell, so dass der Rückkopplungskreis schneller ansprechen kann, was bei langsamen Rückkopplungsschaltungen hilfreich ist.

 

• Layoutvorschlag

Bei dynamischer Belastung kann der Abstand zwischen Umrichter und Last die Qualität der Ausgangsleistung beeinflussen. Und der parasitäre Widerstand und die Induktivität auf dem Pfad verursachen einen Abfall der Ausgangsspannung und führen zu einer schlechten Lastregelung. Daher müssen der Umrichter und die Last so nah wie möglich platziert werden. Um den Effekt des Einschwingverhaltens der Last zu verringern, wird im Allgemeinen die Ausgangskapazität erhöht, um das Ansprechverhalten der Ausgangsspannung zu verringern, und die Position der Kondensatoren im Hauptstrompfad ist am effektivsten.

5. Zusammenfassung

Mit dem Markttrend neigen viele elektronische Produkte dazu, einen schnelleren und größeren Strom zu benötigen. Bei der Auswahl an Stromrichtern sind die Produkte mit stabiler Ausgangsspannung beliebter. Der Einschwingtest kann die Stabilität des Regelkreises, die Lastregelung, die Einschwingzeit und das Klingeln verstehen. Nachdem Sie die Faktoren verstanden haben, die das Einschwingverhalten beeinflussen, kann die am besten geeignete Verbesserungsmethode gefunden werden, um einen stabileren Leistungswandler zu erhalten.

 

 

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