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)一個閉(bi)環(huan)(huan)反(fan)饋控(kong)制系(xi)統(tong)，從而(er)能(neng)獲(huo)得較好的(de)(de)性能(neng)。在負(fu)反(fan)饋系(xi)統(tong)中，控(kong)制放大器的(de)(de)連接方式(shi)有(you)意地引(yin)(yin)入了180°相(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)，如果(guo)反(fan)饋的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)位保持在180°以內(nei)，那么控(kong)制環(huan)(huan)路將總是穩(wen)定的(de)(de)。當(dang)然，在現實(shi)中這種情況是不(bu)會存在的(de)(de)，由于各(ge)種各(ge)樣(yang)的(de)(de)開關(guan)延(yan)時和電抗引(yin)(yin)入了額外的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)，如果(guo)不(bu)采用適合(he)的(de)(de)環(huan)(huan)路補償，這類相(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)同樣(yang)會導致(zhi)開關(guan)電源(yuan)的(de)(de)不(bu)穩(wen)定。

1 穩定性指標

   衡量開關電源穩定性的(de)指標是(shi)相位裕(yu)(yu)(yu)度(du)和增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)。相位裕(yu)(yu)(yu)度(du)是(shi)指：增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)降(jiang)到0dB時(shi)(shi)所對應(ying)的(de)相位。增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)是(shi)指：相位為(wei)零時(shi)(shi)所對應(ying)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)大小(實際是(shi)衰減)。在(zai)實際設(she)計(ji)開關電源時(shi)(shi)，只在(zai)設(she)計(ji)反激變(bian)(bian)換(huan)器時(shi)(shi)才考慮增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)，設(she)計(ji)其(qi)它變(bian)(bian)換(huan)器時(shi)(shi)，一(yi)般不使用增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)(yi)裕(yu)(yu)(yu)度(du)。

   在(zai)(zai)開(kai)關電(dian)源(yuan)設(she)計中，相(xiang)(xiang)位(wei)裕度(du)(du)有兩個相(xiang)(xiang)互獨立作用(yong)：一是(shi)可以阻尼變(bian)(bian)換器在(zai)(zai)負載(zai)(zai)階(jie)躍(yue)變(bian)(bian)化時出現(xian)的動態過程;另一個作用(yong)是(shi)當元(yuan)器件參數發生變(bian)(bian)化時，仍然可以保證(zheng)系(xi)統穩定(ding)。相(xiang)(xiang)位(wei)裕度(du)(du)只能用(yong)來保證(zheng)“小信號穩定(ding)”。在(zai)(zai)負載(zai)(zai)階(jie)躍(yue)變(bian)(bian)化時，電(dian)源(yuan)不(bu)可避免要(yao)進(jin)入(ru)“大信號穩定(ding)”范圍。工程中我們認為在(zai)(zai)室(shi)溫和標準輸(shu)(shu)入(ru)、正(zheng)常負載(zai)(zai)條件下，環路(lu)的相(xiang)(xiang)位(wei)裕度(du)(du)要(yao)求(qiu)大于45°。在(zai)(zai)各種參數變(bian)(bian)化和誤差(cha)情況下，這個相(xiang)(xiang)位(wei)裕度(du)(du)足(zu)以確保系(xi)統穩定(ding)。如果負載(zai)(zai)變(bian)(bian)化或者(zhe)輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)壓范圍變(bian)(bian)化非常大，考慮在(zai)(zai)所有負載(zai)(zai)和輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)壓下環路(lu)和相(xiang)(xiang)位(wei)裕度(du)(du)應大于30°。

   如圖l所示為開關(guan)電源控制方(fang)框(kuang)示意圖，開關(guan)電源控制環路由以下(xia)3部(bu)分構成。

(1)功(gong)(gong)率(lv)變換器(qi)部分，主要包含方波驅(qu)動(dong)功(gong)(gong)率(lv)開關、主功(gong)(gong)率(lv)變壓器(qi)和輸出濾波器(qi);

(2)脈沖寬度調節部分，主(zhu)要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比(bi)較放(fang)大(da)部分，主要包含輸出電(dian)壓(ya)采樣、比(bi)較、放(fang)大(da)(如TL431)、誤差放(fang)大(da)傳輸(如光電(dian)耦合器)和PWM集成電(dian)路(lu)內部集成的電(dian)壓(ya)比(bi)較器(這些放(fang)大(da)器的補(bu)償設計(ji)最大(da)程度的決(jue)定(ding)著開關(guan)電(dian)源系統穩定(ding)性，是設計(ji)的重點和難點)。

圖1 開關電源(yuan)控制環路示意圖

2 穩定性分析

   如(ru)(ru)圖1所(suo)示，假如(ru)(ru)在(zai)(zai)(zai)節點A處引(yin)入干(gan)擾波(bo)。此方波(bo)所(suo)包含的(de)(de)能量分配成無限列(lie)奇次諧(xie)波(bo)分量。如(ru)(ru)果檢(jian)測(ce)到(dao)真(zhen)實系統(tong)對不(bu)斷增(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)諧(xie)波(bo)有響應，則可以看出增(zeng)(zeng)(zeng)益和相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)也隨(sui)著頻(pin)率的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加而改變。如(ru)(ru)果在(zai)(zai)(zai)某一(yi)頻(pin)率下(xia)(xia)(xia)增(zeng)(zeng)(zeng)益等于(yu)l且(qie)總(zong)的(de)(de)額外(wai)相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)為180°(此相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)加上原(yuan)先設定的(de)(de)180°相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)，總(zong)相(xiang)(xiang)移(yi)(yi)量為360°)，那么(me)將會有足夠的(de)(de)能量返回到(dao)系統(tong)的(de)(de)輸入端，且(qie)相(xiang)(xiang)位(wei)與原(yuan)相(xiang)(xiang)位(wei)相(xiang)(xiang)同，那么(me)干(gan)擾將維持下(xia)(xia)(xia)去，系統(tong)在(zai)(zai)(zai)此頻(pin)率下(xia)(xia)(xia)振蕩。如(ru)(ru)圖2所(suo)示，通常(chang)情況(kuang)下(xia)(xia)(xia)，控制放大器都(dou)會采用反(fan)饋補(bu)償元器件(jian)Z2減(jian)少更高頻(pin)率下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)益，使得開關電源在(zai)(zai)(zai)所(suo)有頻(pin)率下(xia)(xia)(xia)都(dou)保持穩定。

圖(tu)2 開(kai)關電源(yuan)的伯特圖(tu)（相位裕度、增益裕度）

   波特(te)(te)(te)(te)圖對應(ying)(ying)(ying)于(yu)小(xiao)(xiao)信號(hao)(hao)(hao)(理論(lun)上的(de)(de)(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)信號(hao)(hao)(hao)是無限小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de))擾(rao)動時(shi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying);但是如果擾(rao)動很大，系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)可(ke)能(neng)(neng)不是由反饋的(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)部分決定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)，而可(ke)能(neng)(neng)是由非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)部分決定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)，如運放的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)擺(bai)率、增(zeng)益帶寬或者電(dian)(dian)路中可(ke)能(neng)(neng)達到的(de)(de)(de)(de)(de)最小(xiao)(xiao)、最大占空比等(deng)。當這(zhe)些因(yin)素影響(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)(tong)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)時(shi)，原(yuan)來(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)就會(hui)表(biao)現為非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)，而且傳遞函(han)數的(de)(de)(de)(de)(de)方法就不能(neng)(neng)繼續使用了。因(yin)此，雖然小(xiao)(xiao)信號(hao)(hao)(hao)穩(wen)定(ding)(ding)是必須滿足的(de)(de)(de)(de)(de)，但還(huan)不足以保(bao)證電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)工作。因(yin)此，在設計電(dian)(dian)源(yuan)環路補償時(shi)，不但要考(kao)慮信號(hao)(hao)(hao)電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)，還(huan)要處理好電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)大信號(hao)(hao)(hao)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)。電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)(tong)對大信號(hao)(hao)(hao)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)優(you)劣可(ke)以通過負(fu)(fu)載(zai)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)和(he)輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)來(lai)(lai)判斷，負(fu)(fu)載(zai)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)和(he)輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)存在很強的(de)(de)(de)(de)(de)連帶關系(xi)，負(fu)(fu)載(zai)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)好，則輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)躍變(bian)(bian)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)特(te)(te)(te)(te)性(xing)(xing)一定(ding)(ding)好。

   對(dui)開關(guan)電(dian)(dian)源環路穩定性(xing)判據的(de)理(li)論分析(xi)是很(hen)復(fu)雜的(de)，這是因(yin)為傳遞函數隨著負(fu)載條(tiao)件(jian)的(de)改(gai)變(bian)而改(gai)變(bian)。各(ge)種(zhong)不同線(xian)繞功(gong)率元器件(jian)的(de)有效(xiao)電(dian)(dian)感值通(tong)常會隨著負(fu)載電(dian)(dian)流而改(gai)變(bian)。此外，在考慮大信號(hao)瞬態的(de)情況下，控(kong)制電(dian)(dian)路工作(zuo)方(fang)式轉(zhuan)變(bian)為非線(xian)性(xing)工作(zuo)方(fang)式，此時僅用(yong)線(xian)性(xing)分析(xi)將(jiang)無法得到(dao)完整(zheng)的(de)狀態描述。下面詳細介(jie)紹通(tong)過對(dui)負(fu)載躍變(bian)瞬態響應波形分析(xi)來判斷(duan)開關(guan)電(dian)(dian)源環路穩定性(xing)。

3 穩定性測試

測試條件：

(1)無感電阻;

(2)負(fu)載變(bian)化(hua)幅(fu)度為10%~100%;

(3)負載開關頻率可調(在獲得同樣理想響應波形(xing)的條(tiao)件下，開關頻率越高(gao)越好);

(4)限(xian)定負載開關電流(liu)變(bian)化率為5A/μs或者2A/μs，沒有(you)聲明負載電流(liu)大小和變(bian)化率的瞬(shun)態響應曲線圖形無任何意義。

圖3(a)為瞬變負(fu)載波形。

圖3(b)為阻尼響(xiang)應(ying)，控制環(huan)在(zai)瞬變邊緣之后(hou)帶(dai)有(you)振蕩。說(shuo)明擁有(you)這種響(xiang)應(ying)電源的(de)增(zeng)益裕(yu)度和相位(wei)裕(yu)度都很小，且只能(neng)在(zai)某些特(te)定條件下(xia)才(cai)能(neng)穩定。因(yin)此，要盡量避(bi)免(mian)這種類型的(de)響(xiang)應(ying)，補償網(wang)絡(luo)也(ye)應(ying)該調(diao)整在(zai)稍低的(de)頻率下(xia)滑離(li)。

圖3(c)為過阻尼響應，雖然比較穩定，但是瞬態恢復(fu)性(xing)能并非最好。滑離頻率應該(gai)增大。

圖3(d)為理想響應波形，接(jie)近(jin)最優情況，在絕大多數應用中(zhong)，瞬態響應穩(wen)定且性(xing)能優良(liang)，增益裕(yu)度和(he)相位裕(yu)度充足。

圖(tu)3 開關電源瞬(shun)態負載條件下的(de)幾種類型

   對于正(zheng)向和負向尖(jian)峰，對稱的(de)(de)波形是同(tong)樣需要的(de)(de)，因此從(cong)它(ta)可以看出控制部分和電源部分在控制內(nei)有中心線，且在負載的(de)(de)增大和減少的(de)(de)情況(kuang)下它(ta)們的(de)(de)擺動(dong)速率是相同(tong)的(de)(de)。

   上面介紹了開關電源控(kong)制環路的兩個穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)判(pan)據(ju)，就是通過波特圖判(pan)定(ding)(ding)小信號下開關(guan)(guan)電(dian)源控(kong)制環路的相位裕度和(he)通過負載躍變(bian)瞬態響(xiang)應波形判(pan)定(ding)(ding)大信號下開關(guan)(guan)電(dian)源控(kong)制環路的穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)。