一種開關電源穩(wěn)定性設計方案

眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益l，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開關電源都有一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當然，在現(xiàn)實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補償，這類相移同樣會導致開關電源的不穩(wěn)定。

1 穩(wěn)定性指標

衡量開關電源穩(wěn)定性的指標是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB時所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應的增益大小(實際是衰減)。在實際設計開關電源時，只在設計反激變換器時才考慮增益裕度，設計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

在開關電源設計中，相位裕度有兩個相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現(xiàn)的動態(tài)過程;另一個作用是當元器件參數(shù)發(fā)生變化時，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來保證“小信號穩(wěn)定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩(wěn)定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數(shù)變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應大于30°。

如圖l所示為開關電源控制方框示意圖，開關電源控制環(huán)路由以下3部分構成。

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調(diào)節(jié)部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電耦合器)和PWM集成電路內(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設計最大程度的決定著開關電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設計的重點和難點)。

圖1 開關電源控制環(huán)路示意圖

2 穩(wěn)定性分析

如圖1所示，假如在節(jié)點A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實系統(tǒng)對不斷增大的諧波有響應，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°(此相移加上原先設定的180°相移，總相移量為360°)，那么將會有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

圖2 開關電源的伯特圖（相位裕度、增益裕度）

波特圖對應于小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時系統(tǒng)的響應;但是如果擾動很大，系統(tǒng)的響應可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當這些因素影響系統(tǒng)響應時，原來的系統(tǒng)就會表現(xiàn)為非線性，而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此，雖然小信號穩(wěn)定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此，在設計電源環(huán)路補償時，不但要考慮信號電源系統(tǒng)的響應特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號響應特性。電源系統(tǒng)對大信號響應特性的優(yōu)劣可以通過負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來判斷，負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性存在很強的連帶關系，負載躍變響應特性好，則輸入電壓躍變響應特性一定好。

對開關電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數(shù)隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會隨著負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態(tài)響應波形分析來判斷開關電源環(huán)路穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變化幅度為10%~100%;

(3)負載開關頻率可調(diào)(在獲得同樣理想響應波形的條件下，開關頻率越高越好);

(4)限定負載開關電流變化率為5A/μs或者2A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應曲線圖形無任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形。

圖3(b)為阻尼響應，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應電源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定條件下才能穩(wěn)定。因此，要盡量避免這種類型的響應，補償網(wǎng)絡也應該調(diào)整在稍低的頻率下滑離。

圖3(c)為過阻尼響應，雖然比較穩(wěn)定，但是瞬態(tài)恢復性能并非最好。滑離頻率應該增大。

圖3(d)為理想響應波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數(shù)應用中，瞬態(tài)響應穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。

圖3 開關電源瞬態(tài)負載條件下的幾種類型

對于正向和負向尖峰，對稱的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內(nèi)有中心線，且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動速率是相同的。

上面介紹了開關電源控制環(huán)路的兩個穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號下開關電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負載躍變瞬態(tài)響應波形判定大信號下開關電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。