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(yi)個閉環(huan)反(fan)饋控(kong)(kong)制(zhi)系統，從而能獲得(de)較好的(de)性(xing)能。在負反(fan)饋系統中(zhong)，控(kong)(kong)制(zhi)放大(da)器(qi)的(de)連接(jie)方式有意地引入了180°相移，如(ru)果反(fan)饋的(de)相位(wei)保(bao)持在180°以內，那么控(kong)(kong)制(zhi)環(huan)路(lu)(lu)將(jiang)總是穩(wen)定(ding)(ding)的(de)。當然，在現實中(zhong)這種(zhong)情況(kuang)是不(bu)會(hui)存(cun)在的(de)，由于各種(zhong)各樣(yang)的(de)開(kai)關延時和(he)電抗引入了額(e)外(wai)的(de)相移，如(ru)果不(bu)采用適合(he)的(de)環(huan)路(lu)(lu)補償(chang)，這類相移同樣(yang)會(hui)導致開(kai)關電源的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)(ding)。

1 穩定性指標

   衡量(liang)開關電源穩(wen)定性的(de)(de)指(zhi)標是(shi)相(xiang)位裕(yu)度和增(zeng)益(yi)(yi)(yi)裕(yu)度。相(xiang)位裕(yu)度是(shi)指(zhi)：增(zeng)益(yi)(yi)(yi)降到(dao)0dB時所(suo)對應(ying)的(de)(de)相(xiang)位。增(zeng)益(yi)(yi)(yi)裕(yu)度是(shi)指(zhi)：相(xiang)位為零時所(suo)對應(ying)的(de)(de)增(zeng)益(yi)(yi)(yi)大小(實際是(shi)衰(shuai)減)。在實際設計(ji)開關電源時，只在設計(ji)反(fan)激變換器(qi)時才考慮(lv)增(zeng)益(yi)(yi)(yi)裕(yu)度，設計(ji)其它變換器(qi)時，一般不使(shi)用增(zeng)益(yi)(yi)(yi)裕(yu)度。

   在(zai)(zai)開關電(dian)(dian)源(yuan)設計中，相(xiang)位(wei)裕度(du)有兩個相(xiang)互獨立作用(yong)(yong)：一是(shi)可(ke)以阻尼變(bian)(bian)換器(qi)在(zai)(zai)負載階躍變(bian)(bian)化(hua)(hua)時出(chu)現的(de)動態(tai)過程;另一個作用(yong)(yong)是(shi)當元器(qi)件(jian)參數(shu)(shu)發生變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，仍然可(ke)以保(bao)證系(xi)統穩定。相(xiang)位(wei)裕度(du)只能用(yong)(yong)來保(bao)證“小信號(hao)穩定”。在(zai)(zai)負載階躍變(bian)(bian)化(hua)(hua)時，電(dian)(dian)源(yuan)不可(ke)避免要進入“大(da)信號(hao)穩定”范(fan)圍(wei)。工程中我們認為在(zai)(zai)室(shi)溫和(he)標準(zhun)輸(shu)入、正常(chang)(chang)負載條(tiao)件(jian)下，環路的(de)相(xiang)位(wei)裕度(du)要求大(da)于45°。在(zai)(zai)各種(zhong)參數(shu)(shu)變(bian)(bian)化(hua)(hua)和(he)誤差情況(kuang)下，這個相(xiang)位(wei)裕度(du)足以確(que)保(bao)系(xi)統穩定。如果負載變(bian)(bian)化(hua)(hua)或者輸(shu)入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)范(fan)圍(wei)變(bian)(bian)化(hua)(hua)非常(chang)(chang)大(da)，考慮在(zai)(zai)所有負載和(he)輸(shu)入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)下環路和(he)相(xiang)位(wei)裕度(du)應大(da)于30°。

   如(ru)圖(tu)l所示為開關電(dian)源(yuan)控(kong)制方框示意圖(tu)，開關電(dian)源(yuan)控(kong)制環路由以下(xia)3部分構成。

(1)功率變(bian)換器部分(fen)，主要包含方波驅動(dong)功率開關、主功率變(bian)壓(ya)器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調(diao)節(jie)部分(fen)，主要(yao)包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣(yang)、控制比較放(fang)大(da)部(bu)分(fen)，主要(yao)包含(han)輸(shu)出電(dian)壓采樣(yang)、比較、放(fang)大(da)(如(ru)(ru)TL431)、誤差放(fang)大(da)傳輸(shu)(如(ru)(ru)光電(dian)耦合器(qi))和PWM集成電(dian)路內部(bu)集成的電(dian)壓比較器(qi)(這些放(fang)大(da)器(qi)的補償(chang)設計最大(da)程度的決定著(zhu)開(kai)關(guan)電(dian)源系統穩定性，是設計的重點和難點)。

圖1 開關電(dian)源控制環路示意圖

2 穩定性分析

   如(ru)(ru)圖(tu)1所(suo)示，假如(ru)(ru)在(zai)節(jie)點A處引入(ru)干擾波(bo)。此(ci)方波(bo)所(suo)包含的(de)能量(liang)分配(pei)成無限列奇次諧(xie)波(bo)分量(liang)。如(ru)(ru)果檢測(ce)到真(zhen)實系統對不斷增(zeng)大(da)的(de)諧(xie)波(bo)有(you)響應，則可以看出(chu)增(zeng)益(yi)和相(xiang)移(yi)(yi)也隨著頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)增(zeng)加而改變。如(ru)(ru)果在(zai)某一頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下增(zeng)益(yi)等于l且總的(de)額外相(xiang)移(yi)(yi)為(wei)180°(此(ci)相(xiang)移(yi)(yi)加上原先設(she)定的(de)180°相(xiang)移(yi)(yi)，總相(xiang)移(yi)(yi)量(liang)為(wei)360°)，那么將會有(you)足夠(gou)的(de)能量(liang)返回到系統的(de)輸入(ru)端，且相(xiang)位(wei)與原相(xiang)位(wei)相(xiang)同，那么干擾將維持下去，系統在(zai)此(ci)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下振蕩(dang)。如(ru)(ru)圖(tu)2所(suo)示，通常情況下，控制放(fang)大(da)器(qi)(qi)都會采用反(fan)饋補償元器(qi)(qi)件Z2減少更(geng)高頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下的(de)增(zeng)益(yi)，使得開關電源(yuan)在(zai)所(suo)有(you)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下都保持穩定。

圖(tu)2 開關電源的伯特圖(tu)（相位裕度、增(zeng)益裕度）

   波(bo)特(te)圖對應(ying)(ying)于小(xiao)信(xin)號(hao)(理(li)(li)論(lun)上(shang)的(de)(de)(de)小(xiao)信(xin)號(hao)是(shi)(shi)無限小(xiao)的(de)(de)(de))擾動時(shi)(shi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying);但是(shi)(shi)如果擾動很(hen)大(da)，系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)可(ke)能不(bu)是(shi)(shi)由反饋的(de)(de)(de)線性(xing)(xing)部(bu)分決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)，而可(ke)能是(shi)(shi)由非線性(xing)(xing)部(bu)分決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)，如運放(fang)的(de)(de)(de)壓擺率、增益帶(dai)寬或者電(dian)(dian)路中可(ke)能達(da)到的(de)(de)(de)最(zui)小(xiao)、最(zui)大(da)占空(kong)比等。當(dang)這些因(yin)素影響(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)響(xiang)應(ying)(ying)時(shi)(shi)，原來的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)就會(hui)表(biao)現為非線性(xing)(xing)，而且傳遞函數的(de)(de)(de)方法就不(bu)能繼續(xu)使(shi)用了。因(yin)此，雖然小(xiao)信(xin)號(hao)穩定(ding)是(shi)(shi)必須(xu)滿足的(de)(de)(de)，但還(huan)不(bu)足以(yi)(yi)保證電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)穩定(ding)工(gong)作。因(yin)此，在設計電(dian)(dian)源(yuan)環路補償時(shi)(shi)，不(bu)但要考慮信(xin)號(hao)電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)，還(huan)要處(chu)理(li)(li)好(hao)電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)。電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)(xi)統(tong)(tong)對大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)優劣(lie)可(ke)以(yi)(yi)通過負載躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)和輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)來判斷(duan)，負載躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)和輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)存(cun)在很(hen)強的(de)(de)(de)連帶(dai)關(guan)系(xi)(xi)，負載躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)好(hao)，則輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓躍變響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)一定(ding)好(hao)。

   對開關(guan)電源環(huan)路穩(wen)定性(xing)(xing)判據的理論(lun)分析(xi)(xi)是很復雜的，這(zhe)是因(yin)為(wei)傳遞函數(shu)隨著負載條件(jian)的改變(bian)(bian)而(er)改變(bian)(bian)。各種不同線(xian)(xian)(xian)繞功率元器(qi)件(jian)的有效(xiao)電感值通(tong)常(chang)會隨著負載電流而(er)改變(bian)(bian)。此(ci)外，在考慮大信號瞬態(tai)的情(qing)況下，控制電路工作方式轉變(bian)(bian)為(wei)非(fei)線(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)工作方式，此(ci)時僅用線(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)分析(xi)(xi)將無法得到完整的狀態(tai)描述(shu)。下面詳細介紹(shao)通(tong)過對負載躍變(bian)(bian)瞬態(tai)響(xiang)應波形分析(xi)(xi)來(lai)判斷(duan)開關(guan)電源環(huan)路穩(wen)定性(xing)(xing)。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負(fu)載(zai)變(bian)化幅度為(wei)10%~100%;

(3)負(fu)載開關(guan)頻率(lv)可調(在獲得同(tong)樣理想響應(ying)波形的(de)條(tiao)件(jian)下，開關(guan)頻率(lv)越高越好);

(4)限定負載(zai)開關電流變(bian)化率為(wei)5A/μs或者2A/μs，沒(mei)有聲明負載(zai)電流大小和(he)變(bian)化率的瞬態(tai)響應曲(qu)線圖(tu)形無(wu)任何意義。

圖3(a)為(wei)瞬變(bian)負載波形。

圖3(b)為阻(zu)尼響應(ying)，控制環(huan)在(zai)(zai)瞬變邊(bian)緣之后帶(dai)有(you)振蕩(dang)。說明擁有(you)這(zhe)種(zhong)響應(ying)電源(yuan)的(de)(de)增益(yi)裕度和相位裕度都很小，且只能(neng)在(zai)(zai)某些特定條(tiao)件下才(cai)能(neng)穩定。因此，要(yao)盡量避(bi)免這(zhe)種(zhong)類型的(de)(de)響應(ying)，補償網(wang)絡(luo)也應(ying)該(gai)調整在(zai)(zai)稍低的(de)(de)頻率下滑離。

圖3(c)為過阻(zu)尼響應(ying)，雖然(ran)比較穩(wen)定，但是瞬(shun)態恢復(fu)性(xing)能并非最(zui)好。滑(hua)離頻率應(ying)該增大。

圖3(d)為(wei)理(li)想響(xiang)應波形，接近最優情況，在絕大(da)多數應用中(zhong)，瞬(shun)態響(xiang)應穩定(ding)且性能優良，增益(yi)裕(yu)度(du)和相位裕(yu)度(du)充足。

圖(tu)3 開(kai)關(guan)電源瞬態負載(zai)條件下的(de)幾種(zhong)類型

   對(dui)于正向和(he)負向尖峰，對(dui)稱的(de)(de)(de)波形是同樣(yang)需要的(de)(de)(de)，因此從它(ta)可以看出控(kong)制部分和(he)電源部分在(zai)控(kong)制內有中心(xin)線，且在(zai)負載(zai)的(de)(de)(de)增(zeng)大和(he)減少的(de)(de)(de)情況下(xia)它(ta)們的(de)(de)(de)擺動速率是相同的(de)(de)(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)制環(huan)路(lu)的(de)兩個穩(wen)定(ding)性判據，就是(shi)通過波特圖判定(ding)小信(xin)號下(xia)開(kai)(kai)關電(dian)源(yuan)控(kong)制環(huan)路(lu)的(de)相位裕度和通過負載躍變瞬(shun)態響應(ying)波形判定(ding)大信(xin)號下(xia)開(kai)(kai)關電(dian)源(yuan)控(kong)制環(huan)路(lu)的(de)穩(wen)定(ding)性。