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)個閉環反(fan)饋(kui)(kui)控(kong)制系(xi)統，從而能獲(huo)得(de)較(jiao)好的(de)(de)性能。在(zai)負反(fan)饋(kui)(kui)系(xi)統中，控(kong)制放大器的(de)(de)連接方式有意地(di)引入(ru)(ru)了180°相移(yi)，如果(guo)反(fan)饋(kui)(kui)的(de)(de)相位保持在(zai)180°以內，那么(me)控(kong)制環路(lu)將總是穩定的(de)(de)。當然，在(zai)現實中這種情況是不(bu)(bu)會(hui)存在(zai)的(de)(de)，由于各種各樣(yang)的(de)(de)開(kai)關延時(shi)和電抗引入(ru)(ru)了額外的(de)(de)相移(yi)，如果(guo)不(bu)(bu)采用適合的(de)(de)環路(lu)補(bu)償，這類相移(yi)同樣(yang)會(hui)導致開(kai)關電源(yuan)的(de)(de)不(bu)(bu)穩定。

1 穩定性指標

   衡量開關(guan)電源穩定性的指標(biao)是相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)和增(zeng)(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)。相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)是指：增(zeng)(zeng)益(yi)降到(dao)0dB時(shi)(shi)所(suo)對應(ying)的相(xiang)位(wei)。增(zeng)(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)是指：相(xiang)位(wei)為(wei)零時(shi)(shi)所(suo)對應(ying)的增(zeng)(zeng)益(yi)大(da)小(實際(ji)是衰減)。在(zai)實際(ji)設(she)計開關(guan)電源時(shi)(shi)，只在(zai)設(she)計反激變換器(qi)時(shi)(shi)才(cai)考慮增(zeng)(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)，設(she)計其它變換器(qi)時(shi)(shi)，一般不(bu)使用增(zeng)(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)。

   在(zai)開(kai)關電(dian)源(yuan)設(she)計中，相位(wei)裕(yu)度(du)(du)有(you)兩個(ge)相互獨立作用：一是(shi)可(ke)(ke)以(yi)阻(zu)尼變(bian)(bian)換器在(zai)負(fu)載(zai)階躍(yue)(yue)變(bian)(bian)化時(shi)出現的動態過程(cheng);另一個(ge)作用是(shi)當元器件(jian)參(can)數發生變(bian)(bian)化時(shi)，仍然(ran)可(ke)(ke)以(yi)保(bao)證(zheng)系統穩(wen)(wen)定(ding)。相位(wei)裕(yu)度(du)(du)只能用來(lai)保(bao)證(zheng)“小信號穩(wen)(wen)定(ding)”。在(zai)負(fu)載(zai)階躍(yue)(yue)變(bian)(bian)化時(shi)，電(dian)源(yuan)不可(ke)(ke)避免要進(jin)入(ru)“大(da)信號穩(wen)(wen)定(ding)”范(fan)圍(wei)。工程(cheng)中我(wo)們認為在(zai)室(shi)溫和標準輸(shu)入(ru)、正常負(fu)載(zai)條件(jian)下，環(huan)路的相位(wei)裕(yu)度(du)(du)要求大(da)于45°。在(zai)各種(zhong)參(can)數變(bian)(bian)化和誤差情(qing)況(kuang)下，這個(ge)相位(wei)裕(yu)度(du)(du)足以(yi)確保(bao)系統穩(wen)(wen)定(ding)。如果負(fu)載(zai)變(bian)(bian)化或者(zhe)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)范(fan)圍(wei)變(bian)(bian)化非(fei)常大(da)，考慮在(zai)所有(you)負(fu)載(zai)和輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)下環(huan)路和相位(wei)裕(yu)度(du)(du)應大(da)于30°。

   如(ru)圖l所示(shi)為開關(guan)電源控(kong)制方框示(shi)意圖，開關(guan)電源控(kong)制環路由以下3部分構成。

(1)功(gong)(gong)率(lv)變換器(qi)部分，主(zhu)要包含方波驅動功(gong)(gong)率(lv)開關、主(zhu)功(gong)(gong)率(lv)變壓器(qi)和輸出濾(lv)波器(qi);

(2)脈(mo)沖寬(kuan)度調節部分，主要包含PWM脈(mo)寬(kuan)比較器、圖騰柱功率放(fang)大;

(3)采(cai)樣(yang)(yang)、控(kong)制比較(jiao)放(fang)大(da)部(bu)分，主要包含輸出電壓(ya)采(cai)樣(yang)(yang)、比較(jiao)、放(fang)大(da)(如TL431)、誤差放(fang)大(da)傳輸(如光電耦合器)和PWM集(ji)成電路內部(bu)集(ji)成的電壓(ya)比較(jiao)器(這些放(fang)大(da)器的補償設計(ji)最大(da)程(cheng)度的決定著開關電源系統(tong)穩(wen)定性(xing)，是(shi)設計(ji)的重點和難點)。

圖1 開(kai)關電源控制(zhi)環路示意圖

2 穩定性分析

   如(ru)(ru)圖1所示，假(jia)如(ru)(ru)在(zai)節點A處引入干擾(rao)波(bo)。此方波(bo)所包含的(de)(de)能量(liang)(liang)分配成無限列奇次諧波(bo)分量(liang)(liang)。如(ru)(ru)果(guo)檢測(ce)到真實系統對不斷增(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)諧波(bo)有響應，則(ze)可以看出增(zeng)(zeng)益和相(xiang)移也隨(sui)著頻率的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而改(gai)變(bian)。如(ru)(ru)果(guo)在(zai)某一(yi)頻率下增(zeng)(zeng)益等于l且總的(de)(de)額外相(xiang)移為(wei)180°(此相(xiang)移加上原(yuan)先設定的(de)(de)180°相(xiang)移，總相(xiang)移量(liang)(liang)為(wei)360°)，那么將會有足夠的(de)(de)能量(liang)(liang)返(fan)回到系統的(de)(de)輸入端(duan)，且相(xiang)位與(yu)原(yuan)相(xiang)位相(xiang)同(tong)，那么干擾(rao)將維持下去，系統在(zai)此頻率下振蕩(dang)。如(ru)(ru)圖2所示，通常(chang)情況下，控制(zhi)放(fang)大(da)器都(dou)會采(cai)用反饋(kui)補償元(yuan)器件Z2減少更高頻率下的(de)(de)增(zeng)(zeng)益，使得(de)開關電源在(zai)所有頻率下都(dou)保持穩定。

圖(tu)2 開關(guan)電源的伯特圖(tu)（相位裕(yu)度(du)、增益(yi)裕(yu)度(du)）

   波特(te)(te)圖對(dui)應(ying)(ying)(ying)于小(xiao)(xiao)信(xin)(xin)號(hao)(理(li)(li)論上的(de)(de)小(xiao)(xiao)信(xin)(xin)號(hao)是無限小(xiao)(xiao)的(de)(de))擾動時系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying);但是如果擾動很大(da)，系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)可(ke)能(neng)不(bu)(bu)是由反(fan)饋的(de)(de)線(xian)性部分(fen)決定的(de)(de)，而可(ke)能(neng)是由非線(xian)性部分(fen)決定的(de)(de)，如運放(fang)的(de)(de)壓(ya)擺率、增益帶寬或者(zhe)電(dian)路(lu)中可(ke)能(neng)達到的(de)(de)最(zui)小(xiao)(xiao)、最(zui)大(da)占空比等。當這些因素影響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)(tong)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)時，原來(lai)的(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)就會表現(xian)為非線(xian)性，而且傳(chuan)遞(di)函數的(de)(de)方法就不(bu)(bu)能(neng)繼續(xu)使用了(le)。因此，雖然小(xiao)(xiao)信(xin)(xin)號(hao)穩定是必須滿足的(de)(de)，但還不(bu)(bu)足以保(bao)證電(dian)源(yuan)的(de)(de)穩定工作。因此，在設計(ji)電(dian)源(yuan)環路(lu)補償時，不(bu)(bu)但要考(kao)慮信(xin)(xin)號(hao)電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性，還要處(chu)理(li)(li)好電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)大(da)信(xin)(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性。電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)對(dui)大(da)信(xin)(xin)號(hao)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性的(de)(de)優劣(lie)可(ke)以通(tong)過(guo)負(fu)(fu)載(zai)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性和輸入電(dian)壓(ya)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性來(lai)判斷，負(fu)(fu)載(zai)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性和輸入電(dian)壓(ya)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性存(cun)在很強的(de)(de)連帶關系(xi)，負(fu)(fu)載(zai)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性好，則輸入電(dian)壓(ya)躍(yue)(yue)(yue)變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)性一(yi)定好。

   對開(kai)關電源(yuan)環(huan)路(lu)(lu)穩(wen)定性判據的(de)理論分析是很復雜的(de)，這是因為(wei)傳(chuan)遞函數(shu)隨(sui)著(zhu)(zhu)負載條(tiao)件的(de)改變(bian)(bian)而(er)改變(bian)(bian)。各(ge)種不同線(xian)繞功率元(yuan)器件的(de)有效電感值(zhi)通常會隨(sui)著(zhu)(zhu)負載電流而(er)改變(bian)(bian)。此(ci)外，在考慮大信號瞬態的(de)情況下(xia)，控制電路(lu)(lu)工作方式(shi)轉變(bian)(bian)為(wei)非線(xian)性工作方式(shi)，此(ci)時僅用線(xian)性分析將無法得(de)到完(wan)整(zheng)的(de)狀態描述。下(xia)面詳細介紹通過對負載躍變(bian)(bian)瞬態響(xiang)應波形分析來(lai)判斷(duan)開(kai)關電源(yuan)環(huan)路(lu)(lu)穩(wen)定性。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變(bian)化幅度為(wei)10%~100%;

(3)負載(zai)開關頻(pin)率可調(在獲(huo)得(de)同樣理想響應波(bo)形的條件(jian)下，開關頻(pin)率越(yue)高越(yue)好);

(4)限(xian)定(ding)負載開(kai)關電流變化(hua)率(lv)為5A/μs或(huo)者2A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化(hua)率(lv)的瞬(shun)態(tai)響應曲線(xian)圖形無(wu)任何意義。

圖3(a)為瞬(shun)變負載波形。

圖3(b)為阻(zu)尼響應，控制環在瞬(shun)變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這(zhe)種響應電源(yuan)的(de)增益裕度和相位(wei)裕度都很小(xiao)，且只能在某些(xie)特定條件下才能穩定。因此(ci)，要(yao)盡量避免這(zhe)種類(lei)型的(de)響應，補償網絡也應該(gai)調(diao)整(zheng)在稍低(di)的(de)頻(pin)率(lv)下滑離。

圖3(c)為過阻尼響應，雖然比(bi)較穩定，但(dan)是瞬(shun)態(tai)恢復性能并(bing)非最好(hao)。滑離(li)頻率(lv)應該增大。

圖(tu)3(d)為理想響應波形，接近最(zui)優(you)情況，在絕大多(duo)數應用(yong)中，瞬態響應穩定且性能優(you)良，增益裕度和相位裕度充足(zu)。

圖3 開關電源瞬(shun)態負載條件下的幾種類型

   對于正(zheng)向(xiang)和負向(xiang)尖峰(feng)，對稱(cheng)的(de)波形(xing)是(shi)同樣(yang)需要的(de)，因此從它可(ke)以看出控制(zhi)部(bu)(bu)分(fen)和電(dian)源部(bu)(bu)分(fen)在控制(zhi)內有中心線，且(qie)在負載的(de)增(zeng)大和減少的(de)情況下(xia)它們的(de)擺動速率是(shi)相同的(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)路(lu)的兩個穩(wen)定(ding)性判(pan)(pan)(pan)據，就是(shi)通過波特圖判(pan)(pan)(pan)定(ding)小信號下開關電源(yuan)控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)路(lu)的相位裕度和(he)通過負載躍變瞬態(tai)響應(ying)波形(xing)判(pan)(pan)(pan)定(ding)大信號下開關電源(yuan)控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)路(lu)的穩(wen)定(ding)性。