Load Transient Response

Load Transient Response
暫態（transient）的定義為：「僅能維持一段短暫時間的事和物」。但隨著微處
理器工作速度和電流需求量的升溫，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。
暫態響應可能是電子電壓調節裡最難理解的概念之一。筆者在數年前的一個會議中聽
到另一家知名半導體廠商的市場主管提出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﹗」。
但事實上，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。
總而言之，用戶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。
▲圖1：典型的穩壓器。
■ 電壓調節
幾乎所有的電子電路都需要一個穩定的電壓源，其可維持在限定的誤差範圍內，以
確保正確運作（典型的CPU 電路只允許公稱電壓 （nominal voltage） 的最大誤差
不超過±3％）。此固定電壓由某些穩壓器負責供應（圖1）。
透過電阻分壓器自動檢測輸出電壓，誤差放大器不斷調整電流源，以維持輸出電壓在
公稱電壓範圍內保持穩定。穩壓器必須能夠在負載電流需求量從零上升到滿載（大約為
20A 或更多）時，保持輸出電壓恆定。當負載電流需求量緩慢變化時很容易做到這一點，
但如負載電流〝階躍（step）〞很快的話，穩壓器將無法提供完全穩定的輸出電壓。
瞭解負載瞬間變化的關鍵點︰
1.穩壓器扮演驅動負載的壓控電流源（透過輸出端的電壓回授對電流源進行調節）
的角色。由於穩壓器的電流源永遠不可能在零時間內作出變化，因此可以得出結論－如果
用戶使負載電流的變化速度超過穩壓器的響應速度，輸出電壓將會發生變化。
2.在穩壓器的控制迴路對負載變化進行調整的時間間隔，負載電流變化（在先前的
穩態值和新的負載電流之間）的唯一來源是輸出電容。因此，不管用戶喜歡與否，都必須
加入輸出電容，以便在負載瞬間變化時維持輸出電壓恆定。系統規範規定了此時必須使用
電容的數量和種類。
3.穩壓器的速度當然是越快越好。穩壓器的控制迴路響應速度越快，在迴路糾正暫
態前輸出電容上的電壓變化越小。因此可以看出，越快的穩壓器意味著在獲得同等“負載
調節誤差範圍”的情況下能夠採用更小的輸出電容（節省了成本）。
■負載瞬間變化
為了瞭解負載暫態的工作，接下來本文將利用範例分析，當負載電流需求量接近於零
的時間內，從IL1 變化到更大值（IL2）時發生負載暫態的情形。在暫態之前，穩壓器正
處於穩態工作，此時IREG＝IL1，並且輸出電容沒有向外部電路輸出電流。
▲圖2：電流遞增負載暫態的發生
穩壓器的電流源（IREG）不能立即發生變化，因此在〝t＝0+〞；時刻（也就是負
載電流增加到IL2 的瞬間），IREG＝IL1。透過簡單節點分析得出，此時電流源需要輸
出電容︰
ICOUT＝IL2－IL1
COUT 將繼續提供電流直到控制迴路把IREG 提升到IL2 為止。在COUT 必須提供電
流的期間，隨著電容放電，它兩側的電壓將會降低。電容的ESR（等效串聯電阻）和ESL
（等效串聯電感）同樣也會使COUT 兩側的電壓降低，如（圖2）所示。
輸出電壓暫態響應
所有的電容都含有等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL），二者都會對暫態
響應產生明顯的影響。在一個遞增的電流負載變化過程中看到的輸出電壓類似（圖3）中
所顯示的︰
▲圖3：負載階躍上升後的VOUT。
ESL 導致電容兩側的電壓下降，該電壓震幅取決於負載暫態的上升時間︰負載變化
越快，ESL 在輸出電壓波形上產生的〝尖峰〞就會越大。該尖峰在時間上很窄，這是因為
電感僅產生一個電壓以回應變化中的電流，這可以透過下面的公式得出︰
V＝L di/dt
當負載電流達到新值（IL2）時，ESL 的電壓尖峰也就結束了。負載電流暫態的上升
時間越短，電感的影響也就越大。大容量陶瓷電容的ESR 和ESL 都很低，它們通常用在
設備的終端處，而這些設備對快速上升的負載暫態有相對的要求。
不管電容提供電流還是吸收電流（用波形上的〝ESR 階躍〞表示），輸出電容的
ESR 都會導致電壓降低。尤其要注意的是，這裡的〝ESR 階躍〞是指負載暫態時調節輸出
端的DC 電壓變化。這意指著當針對調節電壓所必須滿足的最大允許〝電壓誤差範圍〞進
行設計時，ESR 成為一個關鍵性的考慮元素。
在穩壓器的電流源被控制迴路調整到新值前的時間間隔內，ESR 兩側的分壓降低了
輸出電壓（這段時間內COUT 放電電荷量也會相對減少）。
既然這些元素導致調節後的輸出電壓降到額定值以下，那麼輸出電壓到誤差放大器的
回授量使得電流源IREG 充分開啟，從而迫使輸出電壓返回到公稱電壓。輸出電壓將上升
並過衝超過額定值，此時迴路繼續進行調節，輸出電壓將被調整下降。這種情況下，迴路
的行為非常精確地反映了相位容限（迴路穩定度）。一個經過良好補償且相位容限大於
40 度的線路，將產生一個迅速消失的瞬間變化，而且該變化中僅包含一個大的偏移如
（圖3）所示。相對較小的相位容限會在線路的建立行為上產生額外的〝振鈴週期（ring
cycle）〞。（圖3）中的波形顯示了一個穩定性方面的〝最佳狀況〞描述，但它並非一
般情況。
當控制迴路到達一個新的穩態（此時穩壓器的電流源提供的電流是IL2）時，輸出電
容再次停止向電路提供電流。
遞增／遞減的負載暫態不對稱之因
負載暫態有兩種型態︰負載電流突然增加，或者降低。前面的例子表明當負載電流突
然增加時，輸出電壓如何發生變化。下面的例子將探討當負載電流突然降低時，會發生什
麼情況（圖4）︰
▲圖4：電流遞減負載暫態的發生。
在這個例子中，負載電流突然從IL1 降低到IL2。由於IREG 不能立即由IL1 下降
到IL2，它必須繼續供應IL1 大小的電流。接著因為負載現在吸收更少的電流，輸出電
容必須吸收IL1 和IL2 之間的差值，將迫使COUT 兩側的電壓升高。
如果負載電流迅速下降，它將在ESL 兩側產生一個電壓尖峰，而且經過ESR 流入
COUT 的電流也將導致一個ESR〝階躍〞（圖5）。在尖峰過後，隨著電容從吸收電流
（IL1－IL2）中充電，COUT 兩側的電壓將會升高。
▲ 圖5：負載突然下降時的VOUT。
由於VOUT 升高到額定值以上，最後將導致控制迴路關閉（或減小）電流源IREG。
但因為大多數穩壓器都無法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT 只能按照COUT 向負載的
放電速度再次降到額定值（在IREG 被減小或者關閉以後）。一旦VOUT 下衝到額定值，
控制迴路將試著重新開啟IREG 並使輸出迅速回轉上升，以致這個循環不斷重複直到新的
穩定狀態條件。此時因為IREG 等於IL2，COUT 將再次沒有電流流入。
負載遞減暫態的建立時間通常大於負載遞增暫態的建立時間，這是因為前者在COUT
把過剩電壓放電給負載階段時花費了更多的時間︰既然負載電流需求量有所降低，那麼電
容的放電速度就變得更加緩慢。負載遞增暫態把它的大部分時間都用在使COUT 回轉上升
方面，同時穩壓器在該模式下提供了最大電流（通常大於額定輸出電流）。與向負載放電
時的遞減相比，當被上述大電流以正方向驅動時，COUT 兩側的電壓（也就是調節輸出電
壓）將會變化得更快。
這表示在大多數狀況下，對於負載從額定電流的20％階躍上升到80％的暫態來
說，其輸出電壓重新建立到額定值的速度大於從額定負載電流的80％階躍下降到20％的
負載暫態。即使總負載電流變化相同，建立時間（以及波形的形狀）也將呈現出很大差
異。
■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，其相關的結論如下各點：
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22uF），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∼ 80dB 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500kHz（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。