因此幾乎所有的開關電源都有一個閉環反饋控製係統，從而能獲得較好的性能。在負反饋係統中


，控製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°以內，那麼控製環路將總是穩定的。

 

當(dang)然(ran)，在(zai)現(xian)實(shi)中(zhong)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)是(shi)不(bu)會(hui)存(cun)在(zai)的(de)，由(you)於(yu)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)開(kai)關(guan)延(yan)時(shi)和(he)電(dian)抗(kang)引(yin)入(ru)了(le)額(e)外(wai)的(de)相(xiang)移(yi)，如(ru)果(guo)不(bu)采(cai)用(yong)適(shi)合(he)的(de)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)，這(zhe)類(lei)相(xiang)移(yi)同(tong)樣(yang)會(hui)導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)。

 

一：穩定性指標

 

衡量開關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時所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應的增益大小(實際是衰減)。在實際設計開關電源時，隻在設計反激變換器時才考慮增益裕度，設計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

 

在開關電源設計中，相位裕度有兩個相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現的動態過程
；另一個作用是當元器件參數發生變化時，仍然可以保證係統穩定。

 

相位裕度隻能用來保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時
，電源不可避免要進入“大信號穩定”範圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下
，環路的相位裕度要求大於45°。在zai各ge種zhong參can數shu變bian化hua和he誤wu差cha情qing況kuang下xia，這zhe個ge相xiang位wei裕yu度du足zu以yi確que保bao係xi統tong穩wen定ding。如ru果guo負fu載zai變bian化hua或huo者zhe輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei變bian化hua非fei常chang大da
，考kao慮lv在zai所suo有you負fu載zai和he輸shu入ru電dian壓ya下xia環huan路lu和he相xiang位wei裕yu度du應ying大da於yu30°。

 

圖1 開關電源控製環路示意圖

 

如圖1所示為開關電源控製方框示意圖
，開關電源控製環路由以下3部分構成。

 

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

 

(2)脈衝寬度調節部分
，主要包含PWM脈寬比較器
、圖騰柱功率放大
；

 

(3)采樣、控製比較放大部分，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開關電源係統穩定性
，是設計的重點和難點)。

 

二：穩定性分析

 

如圖1所示，假如在節點Achuyinruganraobo。cifangbosuobaohandenengliangfenpeichengwuxianlieqicixiebofenliang。ruguojiancedaozhenshixitongduibuduanzengdadexieboyouxiangying，zekeyikanchuzengyihexiangyiyesuizhepinlvdezengjiaergaibian。ruguozaimouyipinlvxiazengyidengyul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°)，那麼將會有足夠的能量返回到係統的輸入端，且相位與原相位相同，那麼幹擾將維持下去，係統在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下
，控製放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關電源在所有頻率下都保持穩定。

 

圖2 開關電源的伯特圖（相位裕度、增益裕度）

 

波特圖對應於小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時係統的響應；但是如果擾動很大
，係統的響應可能不是由反饋的線性部分決定的
，而可能是由非線性部分決定的

，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小
、最(zui)大(da)占(zhan)空(kong)比(bi)等(deng)。當(dang)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)響(xiang)應(ying)時(shi)，原(yuan)來(lai)的(de)係(xi)統(tong)就(jiu)會(hui)表(biao)現(xian)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)，而(er)且(qie)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)的(de)方(fang)法(fa)就(jiu)不(bu)能(neng)繼(ji)續(xu)使(shi)用(yong)了(le)。因(yin)此(ci)，雖(sui)然(ran)小(xiao)信(xin)號(hao)穩(wen)定(ding)是(shi)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)的(de)，但(dan)還(hai)不(bu)足(zu)以(yi)保(bao)證(zheng)電(dian)源(yuan)的(de)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)。因(yin)此(ci)
，在(zai)設(she)計(ji)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)時(shi)，不(bu)但(dan)要(yao)考(kao)慮(lv)信(xin)號(hao)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)
，還(hai)要(yao)處(chu)理(li)好(hao)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)。電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)對(dui)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)的(de)優(you)劣(lie)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)來(lai)判(pan)斷(duan)
，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)存(cun)在(zai)很(hen)強(qiang)的(de)連(lian)帶(dai)關(guan)係(xi)，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)好(hao)，則(ze)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)一(yi)定(ding)好(hao)。

 

對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)穩(wen)定(ding)性(xing)判(pan)據(ju)的(de)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)是(shi)很(hen)複(fu)雜(za)的(de)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)的(de)改(gai)變(bian)而(er)改(gai)變(bian)。各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)線(xian)繞(rao)功(gong)率(lv)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)有(you)效(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi)通(tong)常(chang)會(hui)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)而(er)改(gai)變(bian)。此(ci)外(wai)

，在(zai)考(kao)慮(lv)大(da)信(xin)號(hao)瞬(shun)態(tai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)轉(zhuan)變(bian)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)，此(ci)時(shi)僅(jin)用(yong)線(xian)性(xing)分(fen)析(xi)將(jiang)無(wu)法(fa)得(de)到(dao)完(wan)整(zheng)的(de)狀(zhuang)態(tai)描(miao)述(shu)。下(xia)麵(mian)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)通(tong)過(guo)對(dui)負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)波(bo)形(xing)分(fen)析(xi)來(lai)判(pan)斷(duan)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)穩(wen)定(ding)性(xing)。

 

三：穩定性測試

 

測試條件：

 

(1)無感電阻；

(2)負載變化幅度為10％~100％；

(3)負載開關頻率可調(在獲得同樣理想響應波形的條件下，開關頻率越高越好)

；

(4)限定負載開關電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態響應曲線圖形無任何意義。

 

圖3(a)為瞬變負載波形。

 

圖3(b)weizunixiangying，kongzhihuanzaishunbianbianyuanzhihoudaiyouzhendang。shuomingyongyouzhezhongxiangyingdianyuandezengyiyuduhexiangweiyududouhenxiao，qiezhinengzaimouxietedingtiaojianxiacainengwending。yinci，yaojinliangbimianzhezhongleixingdexiangying，buchangwangluoyeyinggaitiaozhengzaishaodidepinlvxiahuali。

 

圖3 開關電源瞬態負載條件下的幾種類型

 

圖3(c)為過阻尼響應，雖然比較穩定，但是瞬態恢複性能並非最好。滑離頻率應該增大。

 

圖3(d)為理想響應波形，接近最優情況，在絕大多數應用中
，瞬態響應穩定且性能優良

，增益裕度和相位裕度充足。

 

對(dui)於(yu)正(zheng)向(xiang)和(he)負(fu)向(xiang)尖(jian)峰(feng)，對(dui)稱(cheng)的(de)波(bo)形(xing)是(shi)同(tong)樣(yang)需(xu)要(yao)的(de)
，因(yin)此(ci)從(cong)它(ta)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)控(kong)製(zhi)部(bu)分(fen)和(he)電(dian)源(yuan)部(bu)分(fen)在(zai)控(kong)製(zhi)內(nei)有(you)中(zhong)心(xin)線(xian)，且(qie)在(zai)負(fu)載(zai)的(de)增(zeng)大(da)和(he)減(jian)少(shao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)它(ta)們(men)的(de)擺(bai)動(dong)速(su)率(lv)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)。

 

上shang麵mian介jie紹shao了le開kai關guan電dian源yuan控kong製zhi環huan路lu的de兩liang個ge穩wen定ding性xing判pan據ju
，就jiu是shi通tong過guo波bo特te圖tu判pan定ding小xiao信xin號hao下xia開kai關guan電dian源yuan控kong製zhi環huan路lu的de相xiang位wei裕yu度du和he通tong過guo負fu載zai躍yue變bian瞬shun態tai響xiang應ying波bo形xing判pan定ding大da信xin號hao下xia開kai關guan電dian源yuan控kong製zhi環huan路lu的de穩wen定ding性xing。下xia麵mian介jie紹shao四si種zhong控kong製zhi環huan路lu穩wen定ding性xing的de設she計ji方fang法fa。

 

四：穩定性設計方法

 

4.1 分析法

 

根據閉環係統的理論、數學及電路模型進行分析(計算機仿真)。實(shi)際(ji)上(shang)進(jin)行(xing)總(zong)體(ti)分(fen)析(xi)時(shi)，要(yao)求(qiu)所(suo)有(you)的(de)參(can)數(shu)要(yao)精(jing)確(que)地(di)等(deng)於(yu)規(gui)定(ding)值(zhi)是(shi)不(bu)大(da)可(ke)能(neng)的(de)
，尤(you)其(qi)是(shi)電(dian)感(gan)值(zhi)，在(zai)整(zheng)個(ge)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)內(nei)，電(dian)感(gan)值(zhi)不(bu)可(ke)能(neng)保(bao)持(chi)常(chang)數(shu)。同(tong)樣(yang)
，能(neng)改(gai)變(bian)係(xi)統(tong)線(xian)性(xing)工(gong)作(zuo)的(de)較(jiao)大(da)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)也(ye)是(shi)很(hen)難(nan)預(yu)料(liao)到(dao)的(de)

 

4.2 試探法

 

首先測量好脈寬調整器和功率變換器部分的傳遞特性，然後用“差分技術”來確定補償控製放大器所必須具有的特性。

 

要想使實際的放大器完全滿足最優特性是不大可能的，主要的目標是實現盡可能地接近。具體步驟如下：

 

(1)找到開環曲線中極點過零處所對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入零點，那麼在直到等於穿越頻率的範圍內相移小於315°(相位裕度至少為45°)
；

 

(2)找到開環曲線中EsR零點對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入極點(否則這些零點將使增益特性變平，且不能按照期望下降)；

 

(3)如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正那麼可以引入一對零極點以提高低頻下的增益。

大多數情況下，需要進行“微調”
，最好的辦法是采用瞬態負載測量法。

 

4.3 經驗法

 

采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)

，是(shi)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)低(di)頻(pin)主(zhu)導(dao)極(ji)點(dian)的(de)過(guo)補(bu)償(chang)控(kong)製(zhi)放(fang)大(da)器(qi)組(zu)成(cheng)閉(bi)環(huan)來(lai)獲(huo)得(de)初(chu)始(shi)穩(wen)定(ding)性(xing)。然(ran)後(hou)采(cai)用(yong)瞬(shun)時(shi)脈(mai)衝(chong)負(fu)載(zai)方(fang)法(fa)來(lai)補(bu)償(chang)網(wang)絡(luo)進(jin)行(xing)動(dong)態(tai)優(you)化(hua)

，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)快(kuai)而(er)有(you)效(xiao)。其(qi)缺(que)點(dian)是(shi)無(wu)法(fa)確(que)定(ding)性(xing)能(neng)的(de)最(zui)優(you)。

 

4.4 計算和測量結合方法

 

綜合以上三點，主要取決於設計人員的技能和經驗。

 

對於用上述方法設計完成的電源可以用下列方法測量閉環開關電源係統的波特圖，測量步驟如下。

 

 

如圖4所示為測量閉環電源係統波特圖的增益和相位時采用的一個常用方法，此方法的特點是無需改動原線路。

 

如圖4所示
，振蕩器通過變壓器T1引入一個很小的串聯型電壓V3至環路。流入控製放大器的有效交流電壓由電壓表V1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測量(電容器C1和C2起隔直流電流的作用)。V2/V1(以分貝形式)為係統的電壓增益。相位差就是整個環路的相移(在考慮到固定的180°負反饋反相位之後)。

 

輸入信號電平必須足夠小，以使全部控製環路都在其正常的線性範圍內工作。

 

4.5 測量設備

 

波特圖的測量設備如下：

 

(1)一個可調頻率的振蕩器V3，頻率範圍從10Hz(或更低)到50kHz(或更高)；

(2)兩個窄帶且可選擇顯示峰值或有效值的電壓表V1和V2，其適用頻率與振蕩器頻率範圍相同；

(3)專業的增益及相位測量儀表。

 

測試點的選擇：理論上講，可以在環路的任意點上進行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度
，信號注入節點的選擇時必須兼顧兩點：電源阻抗較低且下一級的輸入阻抗較高。而且，必須有一個單一的信號通道。實踐中，一般可把測量變壓器接入到圖4或圖5控製環路中接入測量變壓器的位置。

 

圖4中T1的位置滿足了上述的標準。電源阻抗(在信號注入的方向上)是電源部分的低輸出阻抗
，而下一級的輸入阻抗是控製放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號注入的第二個位置也同樣滿足這一標準
，它位於圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調製器之間。

 

 

五：最佳拓撲結構

 

無論是國外還是國內DC／DC電源線路的設計
，就隔離方式來講都可歸結為兩種最基本的形式：前置啟動+前置PWM控製和後置隔離啟動+後置PWM控製。具體結構框圖如圖6和圖7所示。

 

國內外DC／DC電源設計大多采用前置啟動+前置PWM控製方式，後級以開關形式將采樣比較的誤差信號通過光電耦合器件隔離傳輸到前級PWM電路進行脈衝寬度的調節
，進而實現整體DC／DC電源穩壓控製。如圖6所示
，前置啟動+前置PWM控製方式框圖所示
，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調寬→輸出穩壓。Interpoint公司的MHF+係列、SMHF係列、MSA係列
、MHV係列等等產品都屬於此種控製方式。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

 

(1)以集成電路U2為核心的采樣
、比較電路的環路補償設計

；

(2)以前置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計
；

(3)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考；

(4)其它部分如功率管驅動、主功率變壓器等
，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

 

 

而如圖7所示，後置隔離啟動+後置PWM控製方式框圖，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調寬→隔離驅動→輸出穩壓。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

 

(1)以後置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計；

(2)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性

，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考。

(3)其它部分如隔離啟動、主功率變壓器等，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

 

比較圖6和圖7控製方式和環路穩定性補償設計可知，圖7後置隔離啟動+後置PWM控製方式的優點如下：

 

(1)減少了後級采樣、比較
、放大和光電耦合
，控製環路簡捷；

(2)隻需對後置PWM集成電路內部電壓比較器進行環路補償設計
，控製環路的響應頻率較寬；

(3)相位裕度大；

(4)負載瞬態特性好
；

(5)輸入瞬態特性好；

(6)抗輻照能力強。實驗證明光電耦合器件即使進行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會大於2x104Rad(Si)
，不適合航天電源高可靠、長壽命的應用要求。

 

六：結語

 

開關電源設計重點有兩點：一(yi)是(shi)磁(ci)路(lu)設(she)計(ji)，重(zhong)點(dian)解(jie)決(jue)的(de)是(shi)從(cong)輸(shu)入(ru)到(dao)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)及(ji)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)問(wen)題(ti)。二(er)是(shi)穩(wen)定(ding)性(xing)設(she)計(ji)，重(zhong)點(dian)解(jie)決(jue)的(de)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)品(pin)質(zhi)問(wen)題(ti)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)穩(wen)定(ding)性(xing)設(she)計(ji)的(de)好(hao)壞(huai)直(zhi)接(jie)決(jue)定(ding)著(zhe)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)啟(qi)動(dong)特(te)性(xing)


、輸入電壓躍變響應特性
、負載躍變響應特性、高低溫穩定性
、生產和調試難易度。將上述開關電源穩定性設計方法和結論應用到開關電源的研發工作中去，定能事半功倍。

 

 

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