一種開(kāi)關(guān)電源穩定性設計方案

眾所周知，任何閉環(huán)系統在增益為單位增益l，且內部隨頻率變化的相移為360°時(shí)，該閉環(huán)控制系統都會(huì )存在不穩定的可能性。因此幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以?xún)?，那么控制環(huán)路將總是穩定的。當然，在現實(shí)中這種情況是不會(huì )存在的，由于各種各樣的開(kāi)關(guān)延時(shí)和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補償，這類(lèi)相移同樣會(huì )導致開(kāi)關(guān)電源的不穩定。

1 穩定性指標

衡量開(kāi)關(guān)電源穩定性的指標是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB時(shí)所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對應的增益大小(實(shí)際是衰減)。在實(shí)際設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，只在設計反激變換器時(shí)才考慮增益裕度，設計其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度。

在開(kāi)關(guān)電源設計中，相位裕度有兩個(gè)相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時(shí)出現的動(dòng)態(tài)過(guò)程;另一個(gè)作用是當元器件參數發(fā)生變化時(shí)，仍然可以保證系統穩定。相位裕度只能用來(lái)保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號穩定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數變化和誤差情況下，這個(gè)相位裕度足以確保系統穩定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應大于30°。

如圖l所示為開(kāi)關(guān)電源控制方框示意圖，開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構成。

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調節部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電耦合器)和PWM集成電路內部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設計最大程度的決定著(zhù)開(kāi)關(guān)電源系統穩定性，是設計的重點(diǎn)和難點(diǎn))。

圖1 開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路示意圖

2 穩定性分析

如圖1所示，假如在節點(diǎn)A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無(wú)限列奇次諧波分量。如果檢測到真實(shí)系統對不斷增大的諧波有響應，則可以看出增益和相移也隨著(zhù)頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°(此相移加上原先設定的180°相移，總相移量為360°)，那么將會(huì )有足夠的能量返回到系統的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會(huì )采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開(kāi)關(guān)電源在所有頻率下都保持穩定。

圖2 開(kāi)關(guān)電源的伯特圖（相位裕度、增益裕度）

波特圖對應于小信號(理論上的小信號是無(wú)限小的)擾動(dòng)時(shí)系統的響應;但是如果擾動(dòng)很大，系統的響應可能不是由反饋的線(xiàn)性部分決定的，而可能是由非線(xiàn)性部分決定的，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當這些因素影響系統響應時(shí)，原來(lái)的系統就會(huì )表現為非線(xiàn)性，而且傳遞函數的方法就不能繼續使用了。因此，雖然小信號穩定是必須滿(mǎn)足的，但還不足以保證電源的穩定工作。因此，在設計電源環(huán)路補償時(shí)，不但要考慮信號電源系統的響應特性，還要處理好電源系統的大信號響應特性。電源系統對大信號響應特性的優(yōu)劣可以通過(guò)負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來(lái)判斷，負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性存在很強的連帶關(guān)系，負載躍變響應特性好，則輸入電壓躍變響應特性一定好。

對開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩定性判據的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數隨著(zhù)負載條件的改變而改變。各種不同線(xiàn)繞功率元器件的有效電感值通常會(huì )隨著(zhù)負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉變?yōu)榉蔷€(xiàn)性工作方式，此時(shí)僅用線(xiàn)性分析將無(wú)法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過(guò)對負載躍變瞬態(tài)響應波形分析來(lái)判斷開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩定性。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無(wú)感電阻;

(2)負載變化幅度為10%~100%;

(3)負載開(kāi)關(guān)頻率可調(在獲得同樣理想響應波形的條件下，開(kāi)關(guān)頻率越高越好);

(4)限定負載開(kāi)關(guān)電流變化率為5A/μs或者2A/μs，沒(méi)有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應曲線(xiàn)圖形無(wú)任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形。

圖3(b)為阻尼響應，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說(shuō)明擁有這種響應電源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定條件下才能穩定。因此，要盡量避免這種類(lèi)型的響應，補償網(wǎng)絡(luò )也應該調整在稍低的頻率下滑離。

圖3(c)為過(guò)阻尼響應，雖然比較穩定，但是瞬態(tài)恢復性能并非最好?；x頻率應該增大。

圖3(d)為理想響應波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數應用中，瞬態(tài)響應穩定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。

圖3 開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)負載條件下的幾種類(lèi)型

對于正向和負向尖峰，對稱(chēng)的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內有中心線(xiàn)，且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。

上面介紹了開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩定性判據，就是通過(guò)波特圖判定小信號下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過(guò)負載躍變瞬態(tài)響應波形判定大信號下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的穩定性。