¿Qué es la respuesta transitoria?

Un convertidor de potencia ideal necesita mantener un voltaje de salida estable, sin importar cómo cambie la carga. Sin embargo, en aplicaciones, el paso de carga de salida afectará el voltaje de salida. Por ejemplo, la cantidad de cambio del voltaje de salida medido para diferentes cargas en estado estable es la regulación de carga. Cuando la carga cambia en un estado transitorio, es necesario considerar el sobreimpulso, el subimpulso y el tiempo de recuperación del voltaje de salida. Estos tres indicadores se basan en el sistema de compensación del convertidor. Este artículo presentará el proceso de ocurrencia de la respuesta transitoria y los factores que afectan la respuesta transitoria y observará los cambios en el voltaje de salida bajo diferentes condiciones a través de la medición de forma de onda real, y brindará sugerencias para mejorar.

1. Respuesta transitoria

Cuando la carga cambia instantáneamente, el voltaje de salida producirá una reacción. En otras palabras, el proceso de volver al valor establecido después de que el voltaje de salida aumenta o disminuye, lo que se denomina respuesta transitoria.

El siguiente es el convertidor de potencia que se utiliza para analizar cómo se produce la respuesta transitoria. La figura 1 es un diagrama de circuito esquemático del convertidor de potencia. Y la figura 2 muestra el proceso que cuando la corriente de carga de ligera a pesada, el voltaje de salida y la corriente del inductor reaccionan al mismo tiempo. Bajo los cambios de corriente, la capacitancia no se puede considerar como un capacitor ideal, por lo que se deben considerar elementos parásitos, incluida la resistencia en serie equivalente (ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL).

Cuando el paso de carga y la corriente de salida aumentan instantáneamente, el convertidor no puede responder para proporcionar suficiente corriente de inmediato. Entonces, el capacitor de salida se descarga para compensar la falta de corriente de salida, y la ESR y ESL del capacitor de salida harán que caiga el voltaje a través del capacitor de salida. ESR provoca una caída de tensión y se correlaciona positivamente con el grado de cambio de carga. ESL reduce el voltaje en ambos lados del capacitor de salida y genera picos. De acuerdo con las características de la inductancia, los picos generados por ESL están relacionados con el tiempo transitorio de la carga. Si cuanto más rápido sube la carga, mayores son los picos de tensión que se generan.

Cuando el amplificador de error detecta la caída de voltaje, el sistema de retroalimentación aumentará el voltaje del compensador y aumentará el tiempo de encendido del interruptor Q1. De modo que la corriente del inductor aumenta para satisfacer el aumento de la corriente de carga y el capacitor comienza a cargarse. El voltaje de salida tiende a estabilizarse.

La prueba de respuesta transitoria puede comprender la estabilidad del voltaje de salida del convertidor. Las especificaciones del convertidor de potencia generalmente han definido el tiempo de respuesta transitorio y la tolerancia del voltaje de salida. Debe tener en cuenta durante la medición que el tiempo transitorio de carga debe ser mucho más corto que el tiempo de recuperación transitorio, y el período del transitorio de carga debe ser mayor que el tiempo de recuperación del convertidor, de lo contrario, el problema de estabilidad no se puede mostrar en la forma de onda.

La siguiente figura muestra una forma de onda de respuesta transitoria típica. En este caso, la salida es de 12 V CC, la carga es del 75 % al 100 % al 75 %, el cambio de voltaje máximo es de 100 mV, lo que equivale al 0.8 % del voltaje de salida y el tiempo de recuperación es de 250 ms. El proceso de recuperación de transitorios de voltaje es una curva suave que muestra características de circuito estables.

2. Los factores afectan la respuesta transitoria

En el sistema de control general, varios factores afectan el desempeño de la respuesta transitoria. En primer lugar, los componentes utilizados en todo el bucle, como el acoplamiento óptico, los diodos y los transformadores, tienen un tiempo de retardo. Significa que cuando cambia la carga, el convertidor comenzará a reaccionar después del tiempo de retraso mínimo. Este tiempo de retardo mínimo no representa el tiempo de respuesta transitorio, sino solo una pequeña parte del mismo.

Los principales factores que afectan la respuesta transitoria como el nivel de compensación del amplificador de error interno. El amplificador de error se usa para ajustar el PWM (modulación de ancho de pulso), y el PWM modula el tiempo de encendido del transistor para responder al cambio en el voltaje de salida. Y el ancho de banda del lazo de control afectará la velocidad de ajuste. Cuando el ancho de banda es mayor, la carga transitoria puede ajustarse más rápidamente.

Dos factores afectan la respuesta transitoria en condiciones externas. Uno es la capacitancia de salida. Si la capacitancia es grande, se puede reducir el exceso o defecto del voltaje de salida, pero el tiempo de recuperación aumentará. El segundo es la magnitud del cambio y la tasa de cambio de la corriente de carga. Cuando la corriente de carga sube o baja lentamente, el valor máximo de la tensión de salida es pequeño. Además, cuando aumenta la magnitud del paso de carga, el voltaje de salida aumentará o disminuirá bruscamente.

3. La forma de onda

• Diferente de capacitancia

Cuando el paso de carga es fijo (50% a 100% de carga), el único cambio es el valor de capacitancia del capacitor de salida. Puede saber a partir de las siguientes tres formas de onda que cuanto mayor es la capacitancia, menor es la variación del voltaje de salida, pero el tiempo de recuperación aumentará.

• Diferente magnitud del paso de carga

Cuando la capacitancia de salida es fija (100 uF), la única diferencia es la magnitud del cambio de paso de carga. Cuando el paso de carga es del 25 % de la carga (del 75 % al 100 %), la tensión de salida es de 50 mV y el tiempo de recuperación es de 200 us. Luego, las figuras 8 y 9 muestran que el paso de carga aumenta al 50% y al 75% de la carga, hace que el voltaje de subimpulso sea mayor y el tiempo de recuperación necesita más tiempo.

• Diferente tasa de cambio de carga

Las siguientes figuras a continuación muestran que las diferentes tasas de cambio de carga. Cuanto más rápido sube o baja la corriente de carga, mayor es el exceso o defecto de la tensión de salida. Por el contrario, el paso de carga más lento da como resultado un menor cambio de voltaje de salida.

4. Método mejorado

• Añadir condensador de salida

Para lograr un voltaje de salida estable, la forma más fácil es aumentar la capacitancia de salida, pero aún se deben considerar ESR y ESL. Los capacitores cerámicos tienen una ESR baja y también son una mejor opción para reducir los transitorios de voltaje. En general, los condensadores cerámicos se colocan cerca del extremo de carga de la aplicación real. Además de reducir los transitorios de tensión, también evita oscilaciones en el lazo de control del convertidor. Además, puede agregar un condensador electrolítico cerca de la salida del convertidor. Cuando hay un paso de carga, el capacitor electrolítico reaccionará rápidamente en la etapa inicial para que el circuito de retroalimentación pueda responder más rápido, lo cual es útil en los circuitos de respuesta de retroalimentación lenta.

 

• Sugerencia de diseño

Bajo cargas dinámicas, la distancia entre el convertidor y la carga puede afectar la calidad de la potencia de salida. Y la resistencia parásita y la inductancia en la ruta provocarán una caída del voltaje de salida y darán como resultado una mala regulación de la carga. Por lo tanto, el convertidor y la carga deben colocarse lo más cerca posible. Para reducir el efecto de la respuesta transitoria de carga, generalmente, la capacitancia de salida se incrementa para reducir la respuesta de voltaje de salida, y la posición de los capacitores es más efectiva en la ruta de corriente principal.

5. Resumen

Con la tendencia del mercado, muchos productos electrónicos tienden a requerir una corriente más rápida y más grande. En la selección de convertidores de potencia, los productos con voltaje de salida estable son más populares. La prueba de respuesta transitoria puede comprender la estabilidad del lazo de control, la regulación de carga, el tiempo de recuperación transitoria y el timbre. Después de comprender los factores que afectan la respuesta transitoria, se puede encontrar el método de mejora más adecuado para obtener un convertidor de potencia más estable.

 

 

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