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(dou)有一個閉環(huan)反饋控制(zhi)(zhi)系統，從而能獲得較好的(de)(de)性(xing)能。在(zai)負反饋系統中(zhong)，控制(zhi)(zhi)放大器的(de)(de)連接方式有意地(di)引入(ru)了180°相(xiang)移(yi)，如果反饋的(de)(de)相(xiang)位保持在(zai)180°以(yi)內，那么控制(zhi)(zhi)環(huan)路(lu)將總是穩定(ding)的(de)(de)。當(dang)然，在(zai)現(xian)實中(zhong)這種情(qing)況是不(bu)會存(cun)在(zai)的(de)(de)，由于各種各樣的(de)(de)開(kai)關(guan)(guan)延時(shi)和(he)電抗引入(ru)了額(e)外的(de)(de)相(xiang)移(yi)，如果不(bu)采用(yong)適合的(de)(de)環(huan)路(lu)補償(chang)，這類(lei)相(xiang)移(yi)同(tong)樣會導致(zhi)開(kai)關(guan)(guan)電源的(de)(de)不(bu)穩定(ding)。

1 穩定性指標

   衡(heng)量開關(guan)電源穩定性的(de)指(zhi)標是(shi)相位裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)和增(zeng)益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)。相位裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)是(shi)指(zhi)：增(zeng)益(yi)降到0dB時所(suo)對(dui)(dui)應的(de)相位。增(zeng)益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)是(shi)指(zhi)：相位為零時所(suo)對(dui)(dui)應的(de)增(zeng)益(yi)大(da)小(實(shi)際(ji)是(shi)衰減)。在實(shi)際(ji)設(she)計(ji)開關(guan)電源時，只在設(she)計(ji)反激變(bian)換器時才考慮增(zeng)益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)，設(she)計(ji)其(qi)它變(bian)換器時，一般不使(shi)用增(zeng)益(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)(du)。

   在(zai)開關電源設計中，相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕度(du)(du)有兩個(ge)(ge)相(xiang)(xiang)互(hu)獨(du)立作用：一是可(ke)(ke)以阻尼變(bian)換器在(zai)負(fu)載階躍變(bian)化時(shi)出現的動(dong)態過程;另一個(ge)(ge)作用是當(dang)元(yuan)器件參數(shu)發生變(bian)化時(shi)，仍然(ran)可(ke)(ke)以保(bao)證系統(tong)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)。相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕度(du)(du)只能用來保(bao)證“小信號穩(wen)(wen)定(ding)(ding)”。在(zai)負(fu)載階躍變(bian)化時(shi)，電源不可(ke)(ke)避免要進入(ru)“大(da)(da)信號穩(wen)(wen)定(ding)(ding)”范(fan)圍(wei)。工程中我們認為在(zai)室溫和(he)標準輸入(ru)、正常負(fu)載條件下(xia)，環路的相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕度(du)(du)要求大(da)(da)于45°。在(zai)各種參數(shu)變(bian)化和(he)誤差情(qing)況下(xia)，這個(ge)(ge)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕度(du)(du)足以確保(bao)系統(tong)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)。如果負(fu)載變(bian)化或(huo)者輸入(ru)電壓范(fan)圍(wei)變(bian)化非常大(da)(da)，考慮在(zai)所有負(fu)載和(he)輸入(ru)電壓下(xia)環路和(he)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)裕度(du)(du)應大(da)(da)于30°。

   如(ru)圖(tu)l所示為開關電源(yuan)控制(zhi)方框示意圖(tu)，開關電源(yuan)控制(zhi)環路由以下(xia)3部分構(gou)成。

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

(2)脈沖寬(kuan)度調節部分，主要包含PWM脈寬(kuan)比較器、圖騰(teng)柱功率(lv)放大;

(3)采樣、控制比較(jiao)放(fang)(fang)大(da)(da)部分，主要包含輸出電(dian)壓采樣、比較(jiao)、放(fang)(fang)大(da)(da)(如TL431)、誤差(cha)放(fang)(fang)大(da)(da)傳輸(如光電(dian)耦合器(qi))和PWM集(ji)成(cheng)電(dian)路內部集(ji)成(cheng)的電(dian)壓比較(jiao)器(qi)(這些放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)的補償設(she)(she)計最大(da)(da)程度的決定著開關電(dian)源系(xi)統穩(wen)定性，是設(she)(she)計的重點(dian)和難(nan)點(dian))。

圖1 開關電源控制環路示意圖

2 穩定性分析

   如(ru)(ru)圖1所示，假(jia)如(ru)(ru)在(zai)節點A處引入干擾波(bo)(bo)。此方波(bo)(bo)所包含的能(neng)量分(fen)(fen)配成無限列奇次諧(xie)波(bo)(bo)分(fen)(fen)量。如(ru)(ru)果檢測到真實系統對(dui)不(bu)斷(duan)增大(da)的諧(xie)波(bo)(bo)有響應(ying)，則可以看出增益和相(xiang)(xiang)移也隨著頻(pin)率(lv)的增加(jia)而(er)改(gai)變。如(ru)(ru)果在(zai)某一頻(pin)率(lv)下增益等于(yu)l且(qie)總的額外(wai)相(xiang)(xiang)移為(wei)180°(此相(xiang)(xiang)移加(jia)上原(yuan)先設定的180°相(xiang)(xiang)移，總相(xiang)(xiang)移量為(wei)360°)，那(nei)么將(jiang)會有足夠的能(neng)量返(fan)回到系統的輸(shu)入端，且(qie)相(xiang)(xiang)位(wei)與(yu)原(yuan)相(xiang)(xiang)位(wei)相(xiang)(xiang)同(tong)，那(nei)么干擾將(jiang)維持(chi)下去，系統在(zai)此頻(pin)率(lv)下振蕩。如(ru)(ru)圖2所示，通常情況下，控制放大(da)器都(dou)會采用反(fan)饋補償元器件(jian)Z2減少更高頻(pin)率(lv)下的增益，使得(de)開(kai)關電源(yuan)在(zai)所有頻(pin)率(lv)下都(dou)保持(chi)穩定。

圖(tu)2 開關(guan)電源的(de)伯特圖(tu)（相(xiang)位(wei)裕度、增益裕度）

   波特(te)圖(tu)對應(ying)(ying)(ying)于小信(xin)(xin)號(理論(lun)上的(de)(de)小信(xin)(xin)號是無限小的(de)(de))擾動(dong)時系(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying);但(dan)是如果擾動(dong)很大(da)，系(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)可(ke)能不(bu)是由反饋的(de)(de)線性(xing)部分(fen)(fen)決(jue)(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)，而可(ke)能是由非(fei)線性(xing)部分(fen)(fen)決(jue)(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)，如運放(fang)的(de)(de)壓(ya)(ya)擺率(lv)、增益帶寬或者電(dian)路中可(ke)能達到的(de)(de)最小、最大(da)占(zhan)空(kong)比(bi)等。當這些因素(su)影響(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)時，原來的(de)(de)系(xi)統(tong)就會(hui)表現(xian)為非(fei)線性(xing)，而且傳遞函(han)數的(de)(de)方(fang)法就不(bu)能繼續使用了。因此(ci)，雖然小信(xin)(xin)號穩定(ding)(ding)是必須滿足(zu)的(de)(de)，但(dan)還(huan)不(bu)足(zu)以保證(zheng)電(dian)源的(de)(de)穩定(ding)(ding)工作。因此(ci)，在設計(ji)電(dian)源環(huan)路補(bu)償時，不(bu)但(dan)要(yao)考慮信(xin)(xin)號電(dian)源系(xi)統(tong)的(de)(de)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)，還(huan)要(yao)處理好電(dian)源系(xi)統(tong)的(de)(de)大(da)信(xin)(xin)號響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)。電(dian)源系(xi)統(tong)對大(da)信(xin)(xin)號響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)的(de)(de)優劣可(ke)以通(tong)過負(fu)載(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)和(he)輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)來判(pan)斷，負(fu)載(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)和(he)輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)存在很強的(de)(de)連(lian)帶關(guan)系(xi)，負(fu)載(zai)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)好，則輸入電(dian)壓(ya)(ya)躍變(bian)響(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)一(yi)定(ding)(ding)好。

   對(dui)開(kai)(kai)關電(dian)(dian)源(yuan)環(huan)路穩定性(xing)(xing)判據的(de)理論分(fen)析是很復雜的(de)，這是因為(wei)傳遞函數隨(sui)著負(fu)載條件的(de)改(gai)變而改(gai)變。各種不同線(xian)繞功率元器(qi)件的(de)有效(xiao)電(dian)(dian)感值通(tong)(tong)常(chang)會隨(sui)著負(fu)載電(dian)(dian)流而改(gai)變。此外，在考慮大信號(hao)瞬態(tai)的(de)情況下(xia)，控制電(dian)(dian)路工作方式(shi)轉變為(wei)非線(xian)性(xing)(xing)工作方式(shi)，此時僅(jin)用線(xian)性(xing)(xing)分(fen)析將無(wu)法(fa)得到完整的(de)狀態(tai)描述。下(xia)面詳細介紹通(tong)(tong)過(guo)對(dui)負(fu)載躍變瞬態(tai)響應波形分(fen)析來判斷開(kai)(kai)關電(dian)(dian)源(yuan)環(huan)路穩定性(xing)(xing)。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負(fu)載變化幅度為10%~100%;

(3)負載開關(guan)頻(pin)率(lv)(lv)可調(diao)(在獲(huo)得同(tong)樣理想響應(ying)波(bo)形的條件(jian)下，開關(guan)頻(pin)率(lv)(lv)越高(gao)越好);

(4)限(xian)定負載(zai)開(kai)關電(dian)流(liu)變化率(lv)為(wei)5A/μs或者(zhe)2A/μs，沒有聲明負載(zai)電(dian)流(liu)大小和變化率(lv)的瞬(shun)態響應曲線(xian)圖形(xing)無任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形(xing)。

圖(tu)3(b)為阻尼響應(ying)，控制(zhi)環在(zai)瞬變邊緣之后(hou)帶(dai)有振蕩。說明(ming)擁有這(zhe)種(zhong)響應(ying)電源的(de)(de)增益裕度(du)(du)和相位裕度(du)(du)都很小，且只能(neng)在(zai)某些特定條件下(xia)才能(neng)穩定。因(yin)此，要盡量避免這(zhe)種(zhong)類型的(de)(de)響應(ying)，補償網絡也應(ying)該調(diao)整在(zai)稍低的(de)(de)頻率下(xia)滑離(li)。

圖(tu)3(c)為過阻尼響應，雖(sui)然比較穩定，但是瞬態(tai)恢復性能并非最(zui)好。滑(hua)離頻率應該增大。

圖3(d)為理想響應(ying)波形，接近最(zui)優(you)情況(kuang)，在絕大多數應(ying)用中，瞬態響應(ying)穩定且性能優(you)良，增益裕度和相位裕度充足。

圖3 開關電(dian)源瞬態(tai)負載(zai)條件下的幾種類型

   對于正向(xiang)和(he)負向(xiang)尖(jian)峰(feng)，對稱的(de)波形是(shi)同(tong)樣需(xu)要的(de)，因(yin)此(ci)從它(ta)可(ke)以看出(chu)控制部分和(he)電源部分在控制內有(you)中心線(xian)，且在負載的(de)增大(da)和(he)減少的(de)情況下(xia)它(ta)們的(de)擺動速(su)率是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)(kong)制(zhi)環路(lu)的(de)兩(liang)個穩(wen)定性判(pan)據，就是通過(guo)波(bo)特圖判(pan)定小信號(hao)下開(kai)關(guan)電(dian)(dian)源控(kong)(kong)制(zhi)環路(lu)的(de)相位裕度和通過(guo)負載(zai)躍變瞬態(tai)響應波(bo)形(xing)判(pan)定大信號(hao)下開(kai)關(guan)電(dian)(dian)源控(kong)(kong)制(zhi)環路(lu)的(de)穩(wen)定性。