O 引言
眾所周知,，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益l,，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時(shí)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會(huì)存在不穩(wěn)定的可能性,。因此幾乎所有的開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源都有一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),，從而能獲得較好的性能。在負(fù)反饋系統(tǒng)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°以內(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的,。當(dāng)然,，在現(xiàn)實(shí)中這種情況是不會(huì)存在的，由于各種各樣的開關(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(bǔ)償,，這類相移同樣會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源的不穩(wěn)定。
1 穩(wěn)定性" title="穩(wěn)定性">穩(wěn)定性指標(biāo)
衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)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(duì)應(yīng)的相位,。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益大小(實(shí)際是衰減)。在實(shí)際設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí),，只在設(shè)計(jì)反激變換器時(shí)才考慮增益裕度,，設(shè)計(jì)其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度,。
在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,，相位裕度有兩個(gè)相互獨(dú)立作用：一是可以阻尼變換器在負(fù)載階躍變化時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程；另一個(gè)作用是當(dāng)元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí),，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定,。相位裕度只能用來保證“小信號(hào)穩(wěn)定”。在負(fù)載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號(hào)穩(wěn)定”范圍,。工程中我們認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下,，環(huán)路的相位裕度要求大于45°,。在各種參數(shù)變化和誤差情況下，這個(gè)相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定,。如果負(fù)載變化或者輸入電壓范圍變化非常大,，考慮在所有負(fù)載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。
如圖l所示為開關(guān)電源控制方框示意圖,，開關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成,。
(1)功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動(dòng)功率開關(guān),、主功率變壓器和輸出濾波器,；
(2)脈沖寬度調(diào)節(jié)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(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性,，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn))。
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2 穩(wěn)定性分析
如圖1所示,，假如在節(jié)點(diǎn)A處引入干擾波,。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測(cè)到真實(shí)系統(tǒng)對(duì)不斷增大的諧波有響應(yīng),，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變,。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(shè)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(tǒng)的輸入端,，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去,，系統(tǒng)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(bǔ)償元器件Z2減少更高頻率下的增益,，使得開關(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。
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波特圖對(duì)應(yīng)于小信號(hào)(理論上的小信號(hào)是無限小的)擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng),；但是如果擾動(dòng)很大,，系統(tǒng)的響應(yīng)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(yùn)放的壓擺率,、增益帶寬或者電路中可能達(dá)到的最小,、最大占空比等。當(dāng)這些因素影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí),，原來的系統(tǒng)就會(huì)表現(xiàn)為非線性,，而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此,，雖然小信號(hào)穩(wěn)定是必須滿足的,，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此,，在設(shè)計(jì)電源環(huán)路補(bǔ)償時(shí),，不但要考慮信號(hào)電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng)特性,。電源系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來判斷,，負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強(qiáng)的連帶關(guān)系，負(fù)載躍變響應(yīng)特性好,，則輸入電壓躍變響應(yīng)特性一定好,。
對(duì)開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因?yàn)閭鬟f函數(shù)隨著負(fù)載條件的改變而改變,。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會(huì)隨著負(fù)載電流而改變,。此外，在考慮大信號(hào)瞬態(tài)的情況下,，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式,，此時(shí)僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細(xì)介紹通過對(duì)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來判斷開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性,。
3 穩(wěn)定性測(cè)試
測(cè)試條件：
(1)無感電阻,；
(2)負(fù)載變化幅度為10％~100％；
(3)負(fù)載開關(guān)頻率可調(diào)(在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下,，開關(guān)頻率越高越好),；
(4)限定負(fù)載開關(guān)電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒有聲明負(fù)載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖形無任何意義,。
圖3(a)為瞬變負(fù)載波形,。
圖3(b)為阻尼響應(yīng)，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩,。說明擁有這種響應(yīng)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(wěn)定。因此，要盡量避免這種類型的響應(yīng),，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該調(diào)整在稍低的頻率下滑離,。
圖3(c)為過阻尼響應(yīng)，雖然比較穩(wěn)定,，但是瞬態(tài)恢復(fù)性能并非最好,。滑離頻率應(yīng)該增大,。
圖3(d)為理想響應(yīng)波形，接近最優(yōu)情況,，在絕大多數(shù)應(yīng)用中,，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足,。
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對(duì)于正向和負(fù)向尖峰,，對(duì)稱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(nèi)有中心線,，且在負(fù)載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的,。
上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性,。下面介紹四種控制環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法,。