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一個閉環反饋控制系統，從而能獲得較(jiao)好(hao)的(de)性能。在負反饋系統中，控制放大器的(de)連接方式有意地引入(ru)了180°相移，如(ru)果(guo)反饋的(de)相位保(bao)持在180°以(yi)內，那么控制環路將總是穩定的(de)。當(dang)然，在現實中這種情況是不(bu)會(hui)存(cun)在的(de)，由(you)于各(ge)種各(ge)樣的(de)開(kai)關延(yan)時和電抗引入(ru)了額外(wai)的(de)相移，如(ru)果(guo)不(bu)采用適合的(de)環路補(bu)償，這類相移同樣會(hui)導致開(kai)關電源的(de)不(bu)穩定。

1 穩定性指標

   衡量(liang)開(kai)(kai)關(guan)電源穩定性的(de)指標是相(xiang)位裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)和增益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)。相(xiang)位裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)是指：增益(yi)降(jiang)到0dB時所(suo)對(dui)應的(de)相(xiang)位。增益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)是指：相(xiang)位為零時所(suo)對(dui)應的(de)增益(yi)大小(實際(ji)是衰減)。在實際(ji)設(she)計開(kai)(kai)關(guan)電源時，只在設(she)計反激變(bian)換器(qi)時才考慮增益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)，設(she)計其(qi)它變(bian)換器(qi)時，一般不使(shi)用增益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)。

   在(zai)開關(guan)電源(yuan)設計中，相位裕度有(you)兩個相互獨立作用：一是可(ke)以(yi)阻尼變(bian)(bian)換器在(zai)負載(zai)階(jie)躍變(bian)(bian)化(hua)時出(chu)現(xian)的動態過程;另(ling)一個作用是當元器件參數(shu)發生變(bian)(bian)化(hua)時，仍然可(ke)以(yi)保(bao)證系(xi)統穩(wen)定(ding)。相位裕度只能(neng)用來保(bao)證“小信號(hao)穩(wen)定(ding)”。在(zai)負載(zai)階(jie)躍變(bian)(bian)化(hua)時，電源(yuan)不可(ke)避免(mian)要進入“大信號(hao)穩(wen)定(ding)”范圍(wei)。工程中我們認為(wei)在(zai)室溫和標準輸入、正常負載(zai)條件下(xia)，環(huan)路的相位裕度要求(qiu)大于45°。在(zai)各種參數(shu)變(bian)(bian)化(hua)和誤差(cha)情況下(xia)，這個相位裕度足(zu)以(yi)確保(bao)系(xi)統穩(wen)定(ding)。如果負載(zai)變(bian)(bian)化(hua)或者(zhe)輸入電壓范圍(wei)變(bian)(bian)化(hua)非常大，考慮(lv)在(zai)所(suo)有(you)負載(zai)和輸入電壓下(xia)環(huan)路和相位裕度應(ying)大于30°。

   如圖l所(suo)示為(wei)開(kai)關(guan)電源控制(zhi)方框示意(yi)圖，開(kai)關(guan)電源控制(zhi)環路由以下3部分構成(cheng)。

(1)功率變換(huan)器(qi)部分，主(zhu)要包含方波驅動功率開關、主(zhu)功率變壓器(qi)和輸出(chu)濾波器(qi);

(2)脈(mo)沖寬度調節部分，主(zhu)要包含PWM脈(mo)寬比較器(qi)、圖騰柱功(gong)率(lv)放(fang)大;

(3)采(cai)樣、控制比較(jiao)放大(da)(da)部分，主要(yao)包含輸出(chu)電(dian)壓采(cai)樣、比較(jiao)、放大(da)(da)(如(ru)TL431)、誤差放大(da)(da)傳(chuan)輸(如(ru)光電(dian)耦(ou)合器(qi))和(he)PWM集成電(dian)路內部集成的(de)電(dian)壓比較(jiao)器(qi)(這些放大(da)(da)器(qi)的(de)補償(chang)設計最大(da)(da)程度的(de)決定著開關電(dian)源系統穩(wen)定性，是設計的(de)重點和(he)難(nan)點)。

圖1 開(kai)關電源(yuan)控制(zhi)環(huan)路示(shi)意圖

2 穩定性分析

   如(ru)圖1所示，假如(ru)在(zai)節(jie)點(dian)A處引入干(gan)擾波(bo)。此(ci)方波(bo)所包(bao)含的(de)(de)能量(liang)分(fen)配成無限(xian)列奇次(ci)諧波(bo)分(fen)量(liang)。如(ru)果(guo)檢測(ce)到(dao)真實系(xi)統(tong)(tong)對不斷增大的(de)(de)諧波(bo)有(you)響應，則可(ke)以看出增益和相(xiang)(xiang)(xiang)移也隨著頻(pin)(pin)率的(de)(de)增加而(er)改變。如(ru)果(guo)在(zai)某一(yi)頻(pin)(pin)率下(xia)增益等于l且總的(de)(de)額外相(xiang)(xiang)(xiang)移為180°(此(ci)相(xiang)(xiang)(xiang)移加上原先設(she)定(ding)的(de)(de)180°相(xiang)(xiang)(xiang)移，總相(xiang)(xiang)(xiang)移量(liang)為360°)，那(nei)么將(jiang)會有(you)足夠的(de)(de)能量(liang)返回到(dao)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)輸入端，且相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)與原相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)相(xiang)(xiang)(xiang)同，那(nei)么干(gan)擾將(jiang)維持下(xia)去(qu)，系(xi)統(tong)(tong)在(zai)此(ci)頻(pin)(pin)率下(xia)振(zhen)蕩。如(ru)圖2所示，通(tong)常情(qing)況下(xia)，控制放大器都(dou)會采用反饋補償(chang)元器件Z2減少更高頻(pin)(pin)率下(xia)的(de)(de)增益，使得(de)開關電源在(zai)所有(you)頻(pin)(pin)率下(xia)都(dou)保持穩定(ding)。

圖2 開(kai)關(guan)電源(yuan)的伯特圖（相位裕度(du)、增益裕度(du)）

   波(bo)特(te)(te)圖對應(ying)于小(xiao)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(理(li)論(lun)上(shang)的(de)(de)小(xiao)信(xin)(xin)(xin)號(hao)是無(wu)限小(xiao)的(de)(de))擾動時系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying);但(dan)是如果擾動很大(da)，系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)可能不是由反饋的(de)(de)線性(xing)部分決(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)，而(er)可能是由非線性(xing)部分決(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)，如運(yun)放的(de)(de)壓(ya)(ya)擺率、增益帶寬(kuan)或者(zhe)電(dian)路中可能達到(dao)的(de)(de)最小(xiao)、最大(da)占空比等(deng)。當這(zhe)些因(yin)素影響(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)時，原來的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)就會表現為非線性(xing)，而(er)且(qie)傳(chuan)遞函數(shu)的(de)(de)方法就不能繼續使用了。因(yin)此，雖然小(xiao)信(xin)(xin)(xin)號(hao)穩定(ding)(ding)是必須滿足(zu)的(de)(de)，但(dan)還不足(zu)以保證電(dian)源的(de)(de)穩定(ding)(ding)工作。因(yin)此，在(zai)設計(ji)電(dian)源環(huan)路補償時，不但(dan)要考慮信(xin)(xin)(xin)號(hao)電(dian)源系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)，還要處理(li)好電(dian)源系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)大(da)信(xin)(xin)(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)。電(dian)源系(xi)(xi)統(tong)對大(da)信(xin)(xin)(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)的(de)(de)優劣可以通過負載(zai)(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)和輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)來判(pan)斷，負載(zai)(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)和輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)存(cun)在(zai)很強的(de)(de)連帶關系(xi)(xi)，負載(zai)(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)好，則輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)性(xing)一(yi)定(ding)(ding)好。

   對開關(guan)電(dian)源環路(lu)穩定性(xing)判(pan)據(ju)的理論分(fen)析(xi)是(shi)(shi)很復雜(za)的，這是(shi)(shi)因為傳遞(di)函數(shu)隨(sui)(sui)著負載(zai)條件(jian)的改變(bian)而改變(bian)。各種不(bu)同(tong)線(xian)繞功率元器件(jian)的有效電(dian)感(gan)值(zhi)通常會隨(sui)(sui)著負載(zai)電(dian)流而改變(bian)。此外，在考(kao)慮大信號瞬(shun)態的情況下(xia)(xia)，控制電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)方式轉變(bian)為非線(xian)性(xing)工(gong)作(zuo)方式，此時僅(jin)用線(xian)性(xing)分(fen)析(xi)將(jiang)無(wu)法得到完整的狀態描述。下(xia)(xia)面詳細介紹通過對負載(zai)躍變(bian)瞬(shun)態響應(ying)波(bo)形(xing)分(fen)析(xi)來判(pan)斷(duan)開關(guan)電(dian)源環路(lu)穩定性(xing)。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變(bian)化幅度為10%~100%;

(3)負(fu)載開關(guan)頻(pin)率(lv)可調(在(zai)獲得同樣理想響應波形的條件下(xia)，開關(guan)頻(pin)率(lv)越高越好(hao));

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

圖3(a)為(wei)瞬變負載波(bo)形。

圖3(b)為(wei)阻(zu)尼響(xiang)應，控制(zhi)環在(zai)瞬變(bian)邊緣之(zhi)后帶有(you)振蕩。說明擁有(you)這種(zhong)響(xiang)應電源的增(zeng)益裕度(du)和相位裕度(du)都(dou)很小(xiao)，且只(zhi)能(neng)在(zai)某些(xie)特(te)定(ding)條件下(xia)才能(neng)穩定(ding)。因此(ci)，要盡量避(bi)免這種(zhong)類型的響(xiang)應，補償(chang)網絡也應該調整(zheng)在(zai)稍低(di)的頻率下(xia)滑(hua)離。

圖(tu)3(c)為過(guo)阻尼響(xiang)應(ying)(ying)，雖(sui)然(ran)比較(jiao)穩定，但是瞬態恢復(fu)性能并非最好(hao)。滑離頻率應(ying)(ying)該增(zeng)大(da)。

圖(tu)3(d)為理想響(xiang)應(ying)(ying)波形，接近最優情況，在絕大多數應(ying)(ying)用中，瞬態響(xiang)應(ying)(ying)穩(wen)定且性能(neng)優良(liang)，增益裕度和相(xiang)位(wei)裕度充足。

圖3 開關電源(yuan)瞬態(tai)負(fu)載條(tiao)件下的幾種類型

   對于正(zheng)向(xiang)和負向(xiang)尖峰，對稱的(de)波(bo)形是同樣需要的(de)，因此從(cong)它可(ke)以看出控制部分和電源部分在控制內有中心線，且在負載(zai)的(de)增大和減少的(de)情況下它們的(de)擺動速率是相同的(de)。

   上面介紹了開關電源控制(zhi)環(huan)(huan)路(lu)(lu)的(de)兩個穩(wen)定性判(pan)據(ju)，就是通過波特圖(tu)判(pan)定小信號下開關電(dian)源控制(zhi)環(huan)(huan)路(lu)(lu)的(de)相位裕度和通過負載躍(yue)變瞬態響應波形判(pan)定大信號下開關電(dian)源控制(zhi)環(huan)(huan)路(lu)(lu)的(de)穩(wen)定性。