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暫態響應(Transient Response)可能是電子電壓調節裡最難理解的概念之一。在數年前的一個會議中,筆者聽到另一家知名半導體廠商的市場主管提出了一個並不正確的陳述 -- 他表示「敝公司新推出的穩壓器,速度快到可以讓用戶不再需要電容﹗」。

事實上,當負載瞬間改變時(無論這個穩壓器有多快),電容依然是必要的。

讓我們檢視暫態 (transient) 的定義 --「僅能維持一段短暫時間的事和物」。但隨著微處理器的工作速度和電流需求量的增加,在負載電流發生暫態變化時,穩壓器要在限定範圍內 維持輸出電壓的能力,就成為一個難以擺脫的困擾。典型CPU晶片對電源規範的要求,是即便負載電流在幾百奈秒(ns)內發生20或30安培的變化,電壓仍然可以保持穩定,要能夠達成這個性能指標是一件非常了不起的創舉。

製造商必須充分理解暫態響應和它的工作原理,才能掌握從何處投入資金才能提升系統性能,以及在不犧牲暫態的情況下節省成本。

如何打造最佳暫態響應?

最佳的暫態響應,其實是系統設計界限考量的結果。

1)要把資金用在刀口上。大容量陶瓷電容是世界上用來降低暫態的最佳電容。大多數主機板設計上都放置了大量的陶瓷電容(容量可達22 uF),這些電容直接安裝在設備的IC引腳上,加電後可以抑制暫態。大容量陶瓷電容通常具有的ESR阻值低到毫歐姆級,同時ESL的數值也很低。沒有其它類型的電容能夠同時為ESR和ESL提供像這種等級的性能(儘管電解電容可以提供極低的ESR)。

2)需要在附近提供一個電荷庫。陶瓷電容所能提供的電容大小有實際限制,因此通常用靠近它們的電解電容對陶瓷電容進行備份,這些電解電容能夠在最初的負載暫態變化後對負載提供支援。過去在這方面經常使用鉭質電容,現在因為安全方面的考量已經避免使用該物質。三洋公司的OSCON和POSCAP以及松下公司的SP電解電容都是具有極低ESR的高容量電容。

3)廉價的大容量電容。通常在穩壓器的輸入端使用大容量、低成本、同時具有高ESR的鋁電解質電容。原因在輸入端可以忍受高ESR的電容,這是由於ESR引起的“電壓階躍”並不直接影響調節後的輸出電壓,相反的,它被穩壓器的“線性調整”功能所抑制,該功能通常在穩壓器的輸入端對DC變化提供高達60到80 dB的衰減。

4)穩壓器頻寬。具有較大迴路頻寬的穩壓器可以對變化負載進行更快速的調節,同時可以減少輸出端大容量電容的數量,這可透過穩壓器在暫態發生後不久吸收儲存於高容量輸入電容中的電荷來實現。一般來說,線性穩壓器的速度經常明顯快於開關的速度,這是因為線性穩壓器的單位增益頻寬可以大於500 kHz(儘管耗電方面的有所限制,許多新型處理器晶片的高負載電流需求量依然要求使用開關轉換器)。一項永遠正確的結論是,速度越快意謂著成本也就越高, 而且在人意料之中的是 – 這都會需要增加大電流穩壓器的頻寬。(
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