과도 응답이란 무엇입니까?

이상적인 전력 변환기는 부하가 어떻게 변하더라도 안정적인 출력 전압을 유지해야 합니다. 그러나 애플리케이션에서 출력 부하 단계는 출력 전압에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 정상 상태에서 서로 다른 부하에 대해 측정된 출력 전압의 변화량이 부하 조정입니다. 과도 상태에서 부하가 변하는 경우 출력 전압의 오버슈트, 언더슈트 및 회복 시간을 고려할 필요가 있습니다. 이 세 가지 지표는 모두 컨버터의 보상 시스템에 의존합니다. 이 글에서는 과도 응답이 발생하는 과정과 과도 응답에 영향을 미치는 요인을 소개하고 실제 파형 측정을 통해 다양한 조건에서 출력 전압의 변화를 관찰하고 개선 방안을 제시한다.

1. 과도 응답

부하가 즉시 변경되면 출력 전압이 반응을 생성합니다. 즉, 출력전압이 상승 또는 하강한 후 설정값으로 복귀하는 과정을 과도응답이라고 합니다.

다음은 과도 응답이 어떻게 발생하는지 분석하는 데 사용되는 전력 변환기입니다. 그림 1은 전력 변환기의 개략적인 회로도이다. 그리고 그림 2는 부하전류가 경부하에서 중부하로 변할 때 출력전압과 인덕터 전류가 동시에 반응하는 과정을 보여준다. 전류 변화 하에서 커패시턴스는 이상적인 커패시터로 간주될 수 없으므로 등가 직렬 저항(ESR) 및 등가 직렬 인덕턴스(ESL)를 비롯한 기생 요소를 고려해야 합니다.

부하 단계와 출력 전류가 순간적으로 증가하면 컨버터가 즉시 충분한 전류를 제공하도록 응답할 수 없습니다. 따라서 출력 커패시터는 출력 전류 부족을 보충하기 위해 방전되고 출력 커패시터의 ESR 및 ESL은 출력 커패시터 양단의 전압을 떨어뜨립니다. ESR은 전압 강하를 유발하며 부하 변화 정도와 양의 상관 관계가 있습니다. ESL은 출력 커패시터의 양쪽 전압을 낮추고 스파이크를 생성합니다. 인덕턴스의 특성에 따라 ESL에서 발생하는 스파이크는 부하 과도 시간과 관련이 있습니다. 부하가 더 빨리 상승하면 더 큰 전압 스파이크가 생성됩니다.

전압 강하가 오류 증폭기에 의해 감지되면 피드백 시스템은 보상기의 전압을 증가시키고 스위치 Q1의 켜짐 시간을 증가시킵니다. 따라서 인덕터 전류가 증가된 부하 전류를 충족시키기 위해 상승하고 커패시터가 충전을 시작합니다. 출력 전압은 안정적인 경향이 있습니다.

과도 응답 테스트는 컨버터 출력 전압의 안정성을 이해할 수 있습니다. 전력 변환기의 사양은 일반적으로 과도 응답 시간과 출력 전압의 허용 오차를 정의합니다. 측정하는 동안 부하 과도 시간은 과도 회복 시간보다 훨씬 짧아야 하고 부하 과도 기간은 변환기의 회복 시간보다 커야 합니다. 그렇지 않으면 안정성 문제가 파형에 표시될 수 없습니다.

다음 그림은 일반적인 과도 응답 파형을 보여줍니다. 이 경우 출력은 12VDC, 부하 75%~100%~75%, 최대 전압 변화는 100mV로 출력 전압의 0.8%에 해당하며 회복 시간은 250ms이다. 전압 과도 회복 과정은 안정적인 회로 특성을 보여주는 부드러운 곡선입니다.

2. 과도 응답에 영향을 미치는 요인

일반 제어 시스템에서는 몇 가지 요인이 과도 응답 성능에 영향을 미칩니다. 먼저 광커플링, 다이오드, 트랜스포머 등 루프 전체에 사용되는 부품들은 지연시간이 있다. 이는 부하가 변경될 때 최소 지연 시간 후에 컨버터가 반응을 시작한다는 것을 의미합니다. 이 최소 지연 시간은 과도 응답 시간을 나타내는 것이 아니라 극히 일부에 불과합니다.

내부 오차 증폭기의 보상 레벨과 같은 과도 응답에 영향을 미치는 주요 요인. 오차 증폭기는 PWM(Pulse Width Modulation)을 조정하는 데 사용되며 PWM은 출력 전압의 변화에 ​​응답하도록 트랜지스터의 온 타임을 변조합니다. 그리고 제어 루프의 대역폭은 조정 속도에 영향을 미칩니다. 대역폭이 더 크면 부하 과도 현상이 더 빨리 조정될 수 있습니다.

두 가지 요인이 외부 조건에서 과도 응답에 영향을 미칩니다. 하나는 출력 커패시턴스입니다. 커패시턴스가 크면 출력 전압의 언더슈트 또는 오버슈트가 줄어들 수 있지만 복구 시간이 늘어납니다. 두 번째는 부하전류의 변화의 크기와 변화율이다. 부하 전류가 천천히 오르거나 내릴 때 출력 전압의 피크 값은 작습니다. 또한 부하 단계의 크기가 증가하면 출력 전압이 급격히 상승하거나 하강합니다.

3. 파형

• 커패시턴스의 다름

부하 단계가 고정되면(50% ~ 100% 부하) 출력 커패시터의 커패시턴스 값만 변경됩니다. 커패시턴스가 클수록 출력 전압의 변동은 적지만 회복 시간이 증가한다는 것을 다음의 세 가지 파형을 통해 알 수 있습니다.

• 부하 단계의 다른 크기

출력 커패시턴스가 고정된 경우(100uF) 유일한 차이점은 부하 단계 변화의 크기입니다. 부하 단계가 25% 부하(75%에서 100%)일 때 출력 전압의 언더슈트는 50mV이고 복구 시간은 200us입니다. 그런 다음 그림 8과 9는 부하 단계가 50% 및 75% 부하로 증가하여 언더슈트 전압이 더 커지고 복구 시간이 더 오래 걸린다는 것을 보여줍니다.

• 부하 변화의 다른 비율

아래의 그림은 부하 변화율이 다르다는 것을 보여줍니다. 부하 전류의 상승 또는 하강이 빠를수록 출력 전압 언더슈트 또는 오버슈트가 커집니다. 반대로 부하 단계가 느려지면 출력 전압 변화가 줄어듭니다.

4. 개선된 방법

• 출력 커패시터 추가

안정적인 출력 전압을 달성하기 위해 가장 쉬운 방법은 출력 커패시턴스를 높이는 것이지만 ESR 및 ESL은 여전히 ​​고려되어야합니다. 세라믹 커패시터는 ESR이 낮고 전압 과도 현상을 줄이는 데 더 나은 선택입니다. 일반적으로 세라믹 커패시터는 실제 애플리케이션의 부하단 가까이에 배치됩니다. 과도 전압을 줄이는 것 외에도 컨버터의 제어 루프에서 발진을 방지합니다. 게다가, 당신은 변환기의 출력 근처에 전해 콘덴서를 추가할 수 있습니다. 부하 단계가 있을 때 전해 콘덴서는 피드백 회로가 더 빠르게 응답할 수 있도록 초기 단계에서 빠르게 반응하므로 느린 피드백 응답 회로에 도움이 됩니다.

 

• 레이아웃 제안

동적 부하에서 컨버터와 부하 사이의 거리는 출력 전력의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 그리고 경로의 기생 저항과 인덕턴스는 출력 전압 강하를 일으켜 부하 조절이 잘 되지 않습니다. 따라서 변환기와 부하를 가능한 한 가깝게 배치해야 합니다. 부하 과도 응답의 영향을 줄이기 위해 일반적으로 출력 커패시턴스를 증가시켜 출력 전압 응답을 줄이고 커패시터의 위치는 주 전류 경로에서 가장 효과적입니다.

5. 개요

시장 추세에 따라 많은 전자 제품은 더 빠르고 더 큰 전류를 요구하는 경향이 있습니다. 전력 변환기를 선택할 때 출력 전압이 안정적인 제품이 더 인기가 있습니다. 과도 응답 테스트는 제어 루프의 안정성, 부하 조정, 과도 회복 시간 및 링잉을 이해할 수 있습니다. 과도 응답에 영향을 미치는 요인을 이해한 후 가장 적절한 개선 방법을 찾아 보다 안정적인 전력 변환기를 얻을 수 있습니다.

 

 

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