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(bi)環(huan)(huan)反饋(kui)控制(zhi)(zhi)系統，從而能獲得較好(hao)的(de)性能。在負反饋(kui)系統中，控制(zhi)(zhi)放大器的(de)連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋(kui)的(de)相位保持(chi)在180°以內，那么(me)控制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)路(lu)將總是穩定的(de)。當然，在現實中這(zhe)種情況是不會存在的(de)，由(you)于各(ge)種各(ge)樣的(de)開關延時和電抗引入了額外的(de)相移，如果不采用(yong)適合的(de)環(huan)(huan)路(lu)補償，這(zhe)類相移同樣會導致開關電源的(de)不穩定。

1 穩定性指標

   衡量(liang)開關(guan)電源穩定(ding)性的指標是相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度和增(zeng)益裕(yu)度。相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度是指：增(zeng)益降到0dB時所對(dui)應的相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)。增(zeng)益裕(yu)度是指：相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)為零時所對(dui)應的增(zeng)益大小(實(shi)際是衰減)。在實(shi)際設(she)計(ji)開關(guan)電源時，只在設(she)計(ji)反激變換(huan)器(qi)(qi)時才考慮增(zeng)益裕(yu)度，設(she)計(ji)其它變換(huan)器(qi)(qi)時，一般不(bu)使用增(zeng)益裕(yu)度。

   在開關電(dian)(dian)(dian)源設計中(zhong)，相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度(du)(du)有兩個相(xiang)(xiang)互獨立作用：一是(shi)可以(yi)阻尼(ni)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)換器在負載(zai)階躍變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)時(shi)出(chu)現的(de)(de)動態過程(cheng);另一個作用是(shi)當元器件(jian)參(can)數發生變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)時(shi)，仍然(ran)可以(yi)保(bao)證(zheng)(zheng)系統穩(wen)定。相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度(du)(du)只能用來保(bao)證(zheng)(zheng)“小信(xin)號穩(wen)定”。在負載(zai)階躍變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)源不可避免(mian)要(yao)進(jin)入(ru)“大(da)信(xin)號穩(wen)定”范圍(wei)。工程(cheng)中(zhong)我(wo)們(men)認為在室溫和(he)標(biao)準輸入(ru)、正常負載(zai)條件(jian)下(xia)，環路(lu)的(de)(de)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度(du)(du)要(yao)求(qiu)大(da)于45°。在各種參(can)數變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)和(he)誤差情況下(xia)，這個相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度(du)(du)足以(yi)確保(bao)系統穩(wen)定。如果負載(zai)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)或者輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓范圍(wei)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)非常大(da)，考慮在所有負載(zai)和(he)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓下(xia)環路(lu)和(he)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕(yu)度(du)(du)應大(da)于30°。

   如圖l所示為開關電源控(kong)制(zhi)方框示意圖，開關電源控(kong)制(zhi)環路由以下3部分構(gou)成。

(1)功(gong)率變(bian)換(huan)器(qi)(qi)部分(fen)，主要(yao)包含方波驅動功(gong)率開(kai)關、主功(gong)率變(bian)壓器(qi)(qi)和(he)輸出(chu)濾波器(qi)(qi);

(2)脈(mo)(mo)沖寬度調節部分，主要包含PWM脈(mo)(mo)寬比較器(qi)、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比(bi)較放(fang)(fang)(fang)大(da)部分，主要包含輸出(chu)電(dian)(dian)壓采樣、比(bi)較、放(fang)(fang)(fang)大(da)(如TL431)、誤差放(fang)(fang)(fang)大(da)傳輸(如光電(dian)(dian)耦合器)和PWM集成電(dian)(dian)路內部集成的(de)電(dian)(dian)壓比(bi)較器(這些放(fang)(fang)(fang)大(da)器的(de)補(bu)償設計最大(da)程度(du)的(de)決(jue)定著開關電(dian)(dian)源系(xi)統穩(wen)定性(xing)，是設計的(de)重(zhong)點和難(nan)點)。

圖(tu)1 開關電源控制環路示意(yi)圖(tu)

2 穩定性分析

   如(ru)圖1所(suo)示，假(jia)如(ru)在節點A處引入干擾(rao)波(bo)(bo)。此方波(bo)(bo)所(suo)包含(han)的能量(liang)分配(pei)成無(wu)限(xian)列奇(qi)次諧波(bo)(bo)分量(liang)。如(ru)果檢(jian)測到(dao)真實系統對不斷增(zeng)(zeng)大(da)的諧波(bo)(bo)有響應，則可以(yi)看出增(zeng)(zeng)益和相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)也(ye)隨著(zhu)頻(pin)率(lv)的增(zeng)(zeng)加而改變。如(ru)果在某一頻(pin)率(lv)下(xia)(xia)增(zeng)(zeng)益等(deng)于(yu)l且總的額外(wai)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)為180°(此相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)加上(shang)原先(xian)設定的180°相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)，總相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)量(liang)為360°)，那(nei)么將(jiang)會有足夠的能量(liang)返(fan)回到(dao)系統的輸入端，且相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位與原相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)，那(nei)么干擾(rao)將(jiang)維持下(xia)(xia)去，系統在此頻(pin)率(lv)下(xia)(xia)振(zhen)蕩(dang)。如(ru)圖2所(suo)示，通常情況下(xia)(xia)，控(kong)制放大(da)器(qi)都會采用反(fan)饋(kui)補償元器(qi)件(jian)Z2減少(shao)更高頻(pin)率(lv)下(xia)(xia)的增(zeng)(zeng)益，使(shi)得開關電源(yuan)在所(suo)有頻(pin)率(lv)下(xia)(xia)都保持穩(wen)定。

圖(tu)2 開(kai)關電源的伯(bo)特圖(tu)（相位(wei)裕度、增(zeng)益裕度）

   波特(te)圖對應(ying)(ying)于小(xiao)(xiao)信號(hao)(理論(lun)上的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)信號(hao)是(shi)無限小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de))擾動時系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying);但(dan)(dan)是(shi)如(ru)果擾動很(hen)大，系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)由反饋(kui)的(de)(de)(de)線性部(bu)分決定(ding)的(de)(de)(de)，而(er)可(ke)能(neng)是(shi)由非線性部(bu)分決定(ding)的(de)(de)(de)，如(ru)運放(fang)的(de)(de)(de)壓擺(bai)率、增益帶(dai)寬或者電(dian)(dian)路中可(ke)能(neng)達到的(de)(de)(de)最小(xiao)(xiao)、最大占空比(bi)等(deng)。當這些(xie)因(yin)(yin)素影響(xiang)系(xi)統(tong)(tong)(tong)響(xiang)應(ying)(ying)時，原來的(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)就會表現為非線性，而(er)且傳遞函數的(de)(de)(de)方法就不(bu)能(neng)繼續使用了(le)。因(yin)(yin)此(ci)，雖(sui)然小(xiao)(xiao)信號(hao)穩定(ding)是(shi)必須滿(man)足的(de)(de)(de)，但(dan)(dan)還不(bu)足以保證電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)穩定(ding)工作。因(yin)(yin)此(ci)，在設計電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)環路補償時，不(bu)但(dan)(dan)要考慮信號(hao)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性，還要處理好(hao)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)大信號(hao)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性。電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)(tong)對大信號(hao)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性的(de)(de)(de)優劣可(ke)以通過(guo)負載躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性和輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性來判(pan)斷，負載躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性和輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性存(cun)在很(hen)強的(de)(de)(de)連帶(dai)關系(xi)，負載躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性好(hao)，則輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓躍(yue)變(bian)(bian)響(xiang)應(ying)(ying)特(te)性一定(ding)好(hao)。

   對開關(guan)電源環(huan)路(lu)穩定(ding)性判據的理論分(fen)(fen)析是很(hen)復雜的，這是因(yin)為傳(chuan)遞函數(shu)隨著(zhu)負載條件的改變而改變。各(ge)種(zhong)不同線繞功率(lv)元(yuan)器件的有效電感(gan)值通常會隨著(zhu)負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬(shun)態的情況(kuang)下(xia)，控制電路(lu)工(gong)作方(fang)式轉(zhuan)變為非線性工(gong)作方(fang)式，此時僅用線性分(fen)(fen)析將無法得(de)到完整的狀(zhuang)態描(miao)述。下(xia)面詳細(xi)介紹通過對負載躍變瞬(shun)態響應波形分(fen)(fen)析來判斷開關(guan)電源環(huan)路(lu)穩定(ding)性。

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)負載開(kai)關(guan)頻(pin)率可調(在獲得同樣理想響(xiang)應波(bo)形的條件下，開(kai)關(guan)頻(pin)率越高越好);

(4)限定負載(zai)(zai)開關電流變(bian)化率(lv)為5A/μs或者2A/μs，沒有聲明負載(zai)(zai)電流大小(xiao)和變(bian)化率(lv)的瞬(shun)態響(xiang)應曲線(xian)圖形無任(ren)何意義。

圖3(a)為(wei)瞬變負(fu)載波形。

圖3(b)為阻尼響應，控制環在(zai)瞬變邊緣之后帶有(you)振蕩(dang)。說明擁有(you)這(zhe)種響應電(dian)源(yuan)的(de)增益(yi)裕度和相位裕度都很小，且只能在(zai)某些特定(ding)(ding)條件(jian)下才能穩定(ding)(ding)。因(yin)此，要盡(jin)量避免這(zhe)種類(lei)型的(de)響應，補(bu)償(chang)網絡(luo)也應該(gai)調整在(zai)稍低的(de)頻(pin)率(lv)下滑離(li)。

圖3(c)為過阻(zu)尼響應，雖然比較(jiao)穩(wen)定(ding)，但是瞬態恢(hui)復性能并非(fei)最好。滑離頻率應該增(zeng)大(da)。

圖(tu)3(d)為(wei)理想響(xiang)(xiang)應波形，接近最優情況，在(zai)絕(jue)大多數應用中，瞬態響(xiang)(xiang)應穩(wen)定且性(xing)能優良，增(zeng)益裕度和相位裕度充(chong)足。

圖3 開(kai)關電(dian)源瞬態負載條(tiao)件下的幾種類型

   對(dui)于正向(xiang)和負向(xiang)尖峰，對(dui)稱的(de)(de)波形(xing)是(shi)同樣需要的(de)(de)，因此(ci)從它可以看出控(kong)制部(bu)分和電源部(bu)分在控(kong)制內(nei)有中心線，且(qie)在負載(zai)的(de)(de)增大和減少的(de)(de)情況(kuang)下它們的(de)(de)擺動(dong)速(su)率是(shi)相同的(de)(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)制(zhi)環路的(de)兩(liang)個(ge)穩定(ding)性(xing)判據，就是(shi)通過(guo)波特(te)圖判定(ding)小信號下開關電源(yuan)控(kong)制(zhi)環路的(de)相位(wei)裕度和(he)通過(guo)負載躍變瞬態(tai)響應(ying)波形判定(ding)大(da)信號下開關電源(yuan)控(kong)制(zhi)環路的(de)穩定(ding)性(xing)。