眾所周知，任何閉環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，該閉環控制系統都會存在不穩定的可能性。因此幾乎所有的開關電源都有(you)一個閉(bi)環(huan)反饋控(kong)制系(xi)統，從而能獲(huo)得較好的(de)(de)性能。在(zai)(zai)負反饋系(xi)統中(zhong)，控(kong)制放大器的(de)(de)連接方式有(you)意地引入(ru)了(le)180°相移，如(ru)果反饋的(de)(de)相位保(bao)持在(zai)(zai)180°以內，那么控(kong)制環(huan)路將總是穩定的(de)(de)。當然，在(zai)(zai)現實(shi)中(zhong)這種情(qing)況是不會存在(zai)(zai)的(de)(de)，由(you)于各種各樣的(de)(de)開(kai)關延時和電抗引入(ru)了(le)額(e)外的(de)(de)相移，如(ru)果不采用適合的(de)(de)環(huan)路補償，這類相移同樣會導(dao)致開(kai)關電源的(de)(de)不穩定。

1 穩定性指標

   衡量(liang)開關(guan)電源穩定性的指(zhi)標(biao)是(shi)相(xiang)位裕(yu)度和增(zeng)益(yi)裕(yu)度。相(xiang)位裕(yu)度是(shi)指(zhi)：增(zeng)益(yi)降到(dao)0dB時(shi)所(suo)對(dui)應(ying)的相(xiang)位。增(zeng)益(yi)裕(yu)度是(shi)指(zhi)：相(xiang)位為零時(shi)所(suo)對(dui)應(ying)的增(zeng)益(yi)大(da)小(實際(ji)是(shi)衰減)。在實際(ji)設(she)計(ji)(ji)開關(guan)電源時(shi)，只在設(she)計(ji)(ji)反激變換器時(shi)才考慮增(zeng)益(yi)裕(yu)度，設(she)計(ji)(ji)其(qi)它變換器時(shi)，一般不使用(yong)增(zeng)益(yi)裕(yu)度。

   在(zai)(zai)開關電(dian)源(yuan)設計中，相(xiang)位裕(yu)度有兩個相(xiang)互獨(du)立作(zuo)(zuo)用：一是可以阻尼變(bian)(bian)換(huan)器(qi)在(zai)(zai)負(fu)載(zai)(zai)(zai)(zai)階躍變(bian)(bian)化(hua)(hua)時出現的動態過(guo)程;另(ling)一個作(zuo)(zuo)用是當元器(qi)件(jian)(jian)參數(shu)發生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，仍(reng)然(ran)可以保(bao)證(zheng)系統穩定(ding)。相(xiang)位裕(yu)度只能用來保(bao)證(zheng)“小信(xin)號(hao)穩定(ding)”。在(zai)(zai)負(fu)載(zai)(zai)(zai)(zai)階躍變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，電(dian)源(yuan)不(bu)可避免要(yao)進入(ru)“大(da)信(xin)號(hao)穩定(ding)”范(fan)圍(wei)(wei)。工程中我們認(ren)為(wei)在(zai)(zai)室溫和(he)標準輸(shu)入(ru)、正常負(fu)載(zai)(zai)(zai)(zai)條件(jian)(jian)下，環路(lu)的相(xiang)位裕(yu)度要(yao)求大(da)于45°。在(zai)(zai)各種參數(shu)變(bian)(bian)化(hua)(hua)和(he)誤差(cha)情況下，這個相(xiang)位裕(yu)度足以確保(bao)系統穩定(ding)。如(ru)果負(fu)載(zai)(zai)(zai)(zai)變(bian)(bian)化(hua)(hua)或者輸(shu)入(ru)電(dian)壓范(fan)圍(wei)(wei)變(bian)(bian)化(hua)(hua)非常大(da)，考(kao)慮(lv)在(zai)(zai)所有負(fu)載(zai)(zai)(zai)(zai)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓下環路(lu)和(he)相(xiang)位裕(yu)度應大(da)于30°。

   如圖l所示為開關電源控(kong)制方框示意圖，開關電源控(kong)制環路由(you)以下(xia)3部(bu)分構成。

(1)功率變換(huan)器部分，主要包含方波驅(qu)動(dong)功率開關、主功率變壓器和(he)輸出濾波器;

(2)脈(mo)沖寬度調節部(bu)分，主要(yao)包含PWM脈(mo)寬比較器、圖(tu)騰柱功(gong)率放大;

(3)采(cai)樣(yang)、控制比較放大部分，主要包(bao)含輸(shu)出電(dian)壓采(cai)樣(yang)、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳(chuan)輸(shu)(如光(guang)電(dian)耦合器)和PWM集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)內部集(ji)成(cheng)的電(dian)壓比較器(這(zhe)些放大器的補償(chang)設(she)計(ji)最(zui)大程度的決定(ding)著(zhu)開(kai)關電(dian)源系統穩定(ding)性，是設(she)計(ji)的重點(dian)和難點(dian))。

圖1 開關電源控制環路示意圖

2 穩定性分析

   如(ru)圖1所(suo)(suo)示(shi)，假如(ru)在(zai)節點A處引(yin)入(ru)干擾波(bo)(bo)。此(ci)方波(bo)(bo)所(suo)(suo)包含的(de)能量分配成(cheng)無限列(lie)奇次諧波(bo)(bo)分量。如(ru)果檢測(ce)到真實(shi)系統(tong)(tong)對不斷增大的(de)諧波(bo)(bo)有響應，則可以看出(chu)增益(yi)和相(xiang)(xiang)移(yi)也隨(sui)著頻(pin)率的(de)增加(jia)而改變。如(ru)果在(zai)某一頻(pin)率下增益(yi)等于l且(qie)總的(de)額外相(xiang)(xiang)移(yi)為180°(此(ci)相(xiang)(xiang)移(yi)加(jia)上(shang)原先(xian)設(she)定的(de)180°相(xiang)(xiang)移(yi)，總相(xiang)(xiang)移(yi)量為360°)，那么將會(hui)有足(zu)夠的(de)能量返回到系統(tong)(tong)的(de)輸入(ru)端，且(qie)相(xiang)(xiang)位(wei)與原相(xiang)(xiang)位(wei)相(xiang)(xiang)同，那么干擾將維持下去，系統(tong)(tong)在(zai)此(ci)頻(pin)率下振蕩。如(ru)圖2所(suo)(suo)示(shi)，通常情況下，控制(zhi)放大器都會(hui)采用反饋補償元器件Z2減少更高頻(pin)率下的(de)增益(yi)，使得開關電源在(zai)所(suo)(suo)有頻(pin)率下都保持穩(wen)定。

圖(tu)2 開關電源(yuan)的伯特圖(tu)（相(xiang)位裕(yu)度、增益裕(yu)度）

   波特(te)圖對應(ying)(ying)(ying)(ying)于(yu)小(xiao)信(xin)號(hao)(理論上的(de)(de)小(xiao)信(xin)號(hao)是無限小(xiao)的(de)(de))擾動時系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying);但(dan)(dan)是如果擾動很大，系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)可(ke)(ke)能不是由(you)(you)反饋的(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)(xing)部分(fen)決定(ding)(ding)的(de)(de)，而可(ke)(ke)能是由(you)(you)非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)(xing)部分(fen)決定(ding)(ding)的(de)(de)，如運放(fang)的(de)(de)壓擺率、增(zeng)益(yi)帶寬或者電(dian)(dian)路中可(ke)(ke)能達(da)到的(de)(de)最小(xiao)、最大占空比等。當這些因(yin)(yin)素影響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)時，原來的(de)(de)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)就(jiu)會表現為(wei)非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)(xing)，而且傳遞函(han)數的(de)(de)方法就(jiu)不能繼續(xu)使(shi)用了。因(yin)(yin)此，雖然小(xiao)信(xin)號(hao)穩定(ding)(ding)是必須滿(man)足的(de)(de)，但(dan)(dan)還不足以保證(zheng)電(dian)(dian)源的(de)(de)穩定(ding)(ding)工作。因(yin)(yin)此，在(zai)(zai)設(she)計電(dian)(dian)源環路補償時，不但(dan)(dan)要考(kao)慮信(xin)號(hao)電(dian)(dian)源系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，還要處理好(hao)電(dian)(dian)源系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)大信(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)。電(dian)(dian)源系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)對大信(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)優(you)劣可(ke)(ke)以通過負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)和輸(shu)入電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)來判(pan)斷，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)和輸(shu)入電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)存在(zai)(zai)很強的(de)(de)連帶關系(xi)(xi)(xi)(xi)，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)好(hao)，則輸(shu)入電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)一定(ding)(ding)好(hao)。

   對開關電(dian)(dian)源環(huan)(huan)路穩(wen)定(ding)性(xing)判據的(de)理論分(fen)析是(shi)很復雜(za)的(de)，這是(shi)因(yin)為傳遞函數隨著負載(zai)條件(jian)的(de)改變而改變。各種不同線繞(rao)功(gong)率元器(qi)件(jian)的(de)有效電(dian)(dian)感值通常會隨著負載(zai)電(dian)(dian)流(liu)而改變。此外(wai)，在考慮大信(xin)號瞬(shun)態(tai)的(de)情況下(xia)，控(kong)制電(dian)(dian)路工作(zuo)方式轉變為非(fei)線性(xing)工作(zuo)方式，此時僅用(yong)線性(xing)分(fen)析將無法得到完整的(de)狀態(tai)描述。下(xia)面詳細介紹通過(guo)對負載(zai)躍變瞬(shun)態(tai)響(xiang)應波(bo)形分(fen)析來判斷開關電(dian)(dian)源環(huan)(huan)路穩(wen)定(ding)性(xing)。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變化幅度為(wei)10%~100%;

(3)負(fu)載開關(guan)頻率(lv)可調(在獲得同樣理想響(xiang)應(ying)波形的條件下，開關(guan)頻率(lv)越高越好);

(4)限定負載(zai)開關電(dian)流變化率為5A/μs或者2A/μs，沒有聲明(ming)負載(zai)電(dian)流大小和變化率的(de)瞬態(tai)響應曲(qu)線圖(tu)形無任何(he)意義(yi)。

圖3(a)為瞬變負載波形(xing)。

圖(tu)3(b)為阻(zu)尼響應(ying)，控制環在瞬變邊緣之后帶(dai)有(you)(you)振蕩。說明擁有(you)(you)這種(zhong)響應(ying)電源的(de)增益裕(yu)度和相位裕(yu)度都很小，且只能在某些特(te)定條件下才能穩定。因(yin)此，要盡量避免(mian)這種(zhong)類型的(de)響應(ying)，補償網絡也應(ying)該調(diao)整在稍低的(de)頻率下滑離。

圖3(c)為過阻(zu)尼響應，雖然(ran)比(bi)較穩定，但是瞬態恢復(fu)性能并非(fei)最好(hao)。滑離頻率應該增大。

圖(tu)3(d)為理想響應波形，接近最優情況，在絕(jue)大(da)多數(shu)應用中，瞬態響應穩定且性能優良(liang)，增益裕度(du)和相位裕度(du)充足。

圖3 開關(guan)電源瞬態負載條(tiao)件下的幾種類型

   對于正向和(he)(he)(he)負向尖(jian)峰，對稱的(de)(de)波(bo)形是同樣需要的(de)(de)，因(yin)此從它(ta)(ta)可以(yi)看(kan)出控制部分(fen)和(he)(he)(he)電(dian)源部分(fen)在控制內有中心(xin)線(xian)，且在負載的(de)(de)增(zeng)大(da)和(he)(he)(he)減少的(de)(de)情況下它(ta)(ta)們的(de)(de)擺動速率是相(xiang)同的(de)(de)。

   上面介紹了開關電源控制環(huan)(huan)路(lu)的(de)兩個穩(wen)定性判(pan)據，就是通(tong)過波(bo)特圖判(pan)定小信號下(xia)開關電源(yuan)控制環(huan)(huan)路(lu)的(de)相位(wei)裕(yu)度(du)和通(tong)過負載躍變瞬態(tai)響應波(bo)形判(pan)定大信號下(xia)開關電源(yuan)控制環(huan)(huan)路(lu)的(de)穩(wen)定性。