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(yi)個閉環(huan)反饋控(kong)制系統，從而能獲得(de)較好的(de)(de)性能。在(zai)(zai)負(fu)反饋系統中(zhong)，控(kong)制放大(da)器的(de)(de)連接方式有(you)意(yi)地引入(ru)了180°相移(yi)，如(ru)果反饋的(de)(de)相位(wei)保持在(zai)(zai)180°以(yi)內，那么控(kong)制環(huan)路將總是穩定(ding)的(de)(de)。當然(ran)，在(zai)(zai)現(xian)實中(zhong)這種情況是不會存在(zai)(zai)的(de)(de)，由(you)于各種各樣的(de)(de)開(kai)關(guan)延時和(he)電抗引入(ru)了額外的(de)(de)相移(yi)，如(ru)果不采用適合的(de)(de)環(huan)路補償，這類(lei)相移(yi)同(tong)樣會導(dao)致開(kai)關(guan)電源的(de)(de)不穩定(ding)。

1 穩定性指標

   衡(heng)量開關電(dian)源穩定(ding)性的指(zhi)標(biao)是相(xiang)(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)(du)(du)和增(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)(du)(du)。相(xiang)(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)(du)(du)是指(zhi)：增(zeng)益(yi)降到0dB時(shi)所對(dui)應(ying)的相(xiang)(xiang)位(wei)。增(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)(du)(du)是指(zhi)：相(xiang)(xiang)位(wei)為零(ling)時(shi)所對(dui)應(ying)的增(zeng)益(yi)大小(實際(ji)是衰減(jian))。在實際(ji)設計開關電(dian)源時(shi)，只在設計反(fan)激變換器(qi)時(shi)才考慮增(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)(du)(du)，設計其(qi)它變換器(qi)時(shi)，一(yi)般不使用增(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)(du)(du)。

   在開關電源設(she)計中，相位(wei)裕(yu)度(du)有兩個(ge)(ge)相互獨立作用：一是(shi)可(ke)以阻(zu)尼變(bian)(bian)換器在負載階(jie)躍變(bian)(bian)化(hua)時(shi)(shi)出現的(de)動態過程;另一個(ge)(ge)作用是(shi)當元器件(jian)參數(shu)發生變(bian)(bian)化(hua)時(shi)(shi)，仍然可(ke)以保證(zheng)系統穩(wen)定(ding)(ding)。相位(wei)裕(yu)度(du)只能用來保證(zheng)“小信號穩(wen)定(ding)(ding)”。在負載階(jie)躍變(bian)(bian)化(hua)時(shi)(shi)，電源不可(ke)避(bi)免要(yao)(yao)進入“大(da)信號穩(wen)定(ding)(ding)”范圍。工程中我們認為在室溫和(he)標準輸(shu)(shu)入、正常負載條件(jian)下(xia)，環路的(de)相位(wei)裕(yu)度(du)要(yao)(yao)求大(da)于(yu)45°。在各種參數(shu)變(bian)(bian)化(hua)和(he)誤差情況下(xia)，這個(ge)(ge)相位(wei)裕(yu)度(du)足以確保系統穩(wen)定(ding)(ding)。如(ru)果負載變(bian)(bian)化(hua)或者輸(shu)(shu)入電壓范圍變(bian)(bian)化(hua)非常大(da)，考慮在所有負載和(he)輸(shu)(shu)入電壓下(xia)環路和(he)相位(wei)裕(yu)度(du)應大(da)于(yu)30°。

   如圖l所示為開(kai)(kai)關(guan)電源控制方框示意(yi)圖，開(kai)(kai)關(guan)電源控制環路由以下3部分構成。

(1)功(gong)率(lv)變(bian)換器部分，主要包含方波(bo)驅(qu)動功(gong)率(lv)開關、主功(gong)率(lv)變(bian)壓器和(he)輸出濾(lv)波(bo)器;

(2)脈沖寬(kuan)度(du)調節部分，主要包含PWM脈寬(kuan)比(bi)較器、圖騰柱功率放(fang)大;

(3)采(cai)(cai)樣、控制比(bi)較(jiao)(jiao)放大部(bu)分，主要(yao)包(bao)含(han)輸出電(dian)壓采(cai)(cai)樣、比(bi)較(jiao)(jiao)、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電(dian)耦(ou)合器)和PWM集成電(dian)路內部(bu)集成的(de)電(dian)壓比(bi)較(jiao)(jiao)器(這些放大器的(de)補償設計最大程(cheng)度(du)的(de)決定著開關電(dian)源系統穩(wen)定性(xing)，是設計的(de)重點和難點)。

圖(tu)1 開關電源控制環(huan)路(lu)示意圖(tu)

2 穩定性分析

   如(ru)(ru)圖1所示(shi)，假如(ru)(ru)在(zai)(zai)節(jie)點A處引入干(gan)擾波(bo)(bo)。此方波(bo)(bo)所包含的能量分配成無限列(lie)奇次諧波(bo)(bo)分量。如(ru)(ru)果(guo)檢測(ce)到(dao)真實系(xi)(xi)統對不斷增大的諧波(bo)(bo)有響(xiang)應，則可以看出增益和相(xiang)(xiang)移也(ye)隨著頻(pin)(pin)率(lv)的增加(jia)而改變。如(ru)(ru)果(guo)在(zai)(zai)某(mou)一(yi)頻(pin)(pin)率(lv)下(xia)增益等于l且(qie)總(zong)的額外(wai)相(xiang)(xiang)移為(wei)180°(此相(xiang)(xiang)移加(jia)上原(yuan)先(xian)設定的180°相(xiang)(xiang)移，總(zong)相(xiang)(xiang)移量為(wei)360°)，那么將會有足夠的能量返回到(dao)系(xi)(xi)統的輸入端，且(qie)相(xiang)(xiang)位(wei)與原(yuan)相(xiang)(xiang)位(wei)相(xiang)(xiang)同，那么干(gan)擾將維持下(xia)去，系(xi)(xi)統在(zai)(zai)此頻(pin)(pin)率(lv)下(xia)振蕩(dang)。如(ru)(ru)圖2所示(shi)，通常(chang)情況下(xia)，控制放大器都會采(cai)用反饋補償元(yuan)器件(jian)Z2減少更高頻(pin)(pin)率(lv)下(xia)的增益，使得開關電源在(zai)(zai)所有頻(pin)(pin)率(lv)下(xia)都保持穩定。

圖2 開(kai)關電(dian)源的伯(bo)特圖（相位(wei)裕(yu)(yu)度(du)、增益(yi)裕(yu)(yu)度(du)）

   波特(te)(te)(te)(te)圖對應(ying)于小(xiao)(xiao)信(xin)號(理論上的(de)(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)信(xin)號是無限(xian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de))擾(rao)動(dong)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying);但(dan)是如果(guo)擾(rao)動(dong)很大(da)，系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)可(ke)能(neng)不(bu)是由反饋的(de)(de)(de)(de)線性(xing)(xing)(xing)部分(fen)決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)，而(er)可(ke)能(neng)是由非(fei)線性(xing)(xing)(xing)部分(fen)決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)，如運放的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)擺率、增益(yi)帶寬或者電(dian)(dian)路中可(ke)能(neng)達到的(de)(de)(de)(de)最小(xiao)(xiao)、最大(da)占空比等。當(dang)這些因素影響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)(tong)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)時(shi)，原來(lai)的(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)就(jiu)(jiu)會表現為非(fei)線性(xing)(xing)(xing)，而(er)且(qie)傳遞函數的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)就(jiu)(jiu)不(bu)能(neng)繼(ji)續使(shi)用(yong)了(le)。因此，雖(sui)然小(xiao)(xiao)信(xin)號穩(wen)(wen)定(ding)是必(bi)須滿足(zu)的(de)(de)(de)(de)，但(dan)還不(bu)足(zu)以保證電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)工作。因此，在設計電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)環路補償時(shi)，不(bu)但(dan)要(yao)(yao)考慮信(xin)號電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，還要(yao)(yao)處理好(hao)(hao)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)大(da)信(xin)號響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)。電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)對大(da)信(xin)號響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)優劣可(ke)以通過負載躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)和輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)來(lai)判斷，負載躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)和輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)存在很強的(de)(de)(de)(de)連(lian)帶關系(xi)，負載躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)好(hao)(hao)，則輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)躍(yue)(yue)變響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)一定(ding)好(hao)(hao)。

   對開(kai)關電源(yuan)環路穩定(ding)性判(pan)據的(de)(de)理論分(fen)析是(shi)很(hen)復(fu)雜(za)的(de)(de)，這是(shi)因為(wei)(wei)傳(chuan)遞函數隨(sui)著(zhu)負載條件的(de)(de)改變(bian)而改變(bian)。各種不(bu)同(tong)線(xian)繞功率元器件的(de)(de)有(you)效電感值(zhi)通(tong)常會隨(sui)著(zhu)負載電流(liu)而改變(bian)。此外，在考慮大信(xin)號(hao)瞬態(tai)的(de)(de)情(qing)況下，控(kong)制電路工作方式轉變(bian)為(wei)(wei)非(fei)線(xian)性工作方式，此時僅(jin)用線(xian)性分(fen)析將(jiang)無法得到完整的(de)(de)狀態(tai)描述。下面詳細介(jie)紹通(tong)過對負載躍變(bian)瞬態(tai)響應(ying)波形分(fen)析來(lai)判(pan)斷開(kai)關電源(yuan)環路穩定(ding)性。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變化幅度(du)為10%~100%;

(3)負(fu)載開(kai)(kai)關頻(pin)率可調(在(zai)獲得同樣(yang)理想響應波形的條件下，開(kai)(kai)關頻(pin)率越高越好);

(4)限定負載(zai)開關電(dian)流變化率為5A/μs或者2A/μs，沒(mei)有聲(sheng)明負載(zai)電(dian)流大小和(he)變化率的瞬態響應曲線(xian)圖形無任何意義(yi)。

圖(tu)3(a)為瞬變負載波形(xing)。

圖3(b)為(wei)阻尼(ni)響(xiang)應，控制環(huan)在(zai)瞬(shun)變邊緣之后帶有(you)(you)振蕩。說明擁有(you)(you)這種(zhong)響(xiang)應電源的增益裕(yu)度和相位裕(yu)度都很(hen)小，且只能在(zai)某些(xie)特(te)定(ding)條(tiao)件下才能穩定(ding)。因(yin)此，要盡量避免這種(zhong)類(lei)型(xing)的響(xiang)應，補(bu)償網絡也應該調整在(zai)稍低的頻(pin)率(lv)下滑離(li)。

圖(tu)3(c)為過阻尼響(xiang)應(ying)，雖然比(bi)較穩定(ding)，但(dan)是瞬態(tai)恢復性能并非最(zui)好。滑離頻(pin)率應(ying)該(gai)增大。

圖(tu)3(d)為理想響應(ying)波(bo)形(xing)，接近(jin)最優情況(kuang)，在絕大多(duo)數應(ying)用中，瞬態響應(ying)穩(wen)定(ding)且性能優良，增益(yi)裕度(du)和相位裕度(du)充(chong)足。

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

   對(dui)于正(zheng)向(xiang)和負向(xiang)尖峰(feng)，對(dui)稱的(de)波(bo)形(xing)是同樣(yang)需要的(de)，因此從(cong)它(ta)可以看出控制(zhi)部分(fen)和電源部分(fen)在控制(zhi)內有中心線，且在負載的(de)增(zeng)大(da)和減少的(de)情況下(xia)它(ta)們(men)的(de)擺動速率(lv)是相同的(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)制(zhi)環路(lu)的兩個穩定性(xing)判據，就是通過(guo)波特圖(tu)判定小(xiao)信號(hao)下開關電源控(kong)制(zhi)環路(lu)的相位裕度(du)和通過(guo)負(fu)載躍變瞬(shun)態響應波形判定大信號(hao)下開關電源控(kong)制(zhi)環路(lu)的穩定性(xing)。