一種開關電源穩定性設計辦法

2021-04-24 ryder

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個閉環反饋控制系統，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，倘若反饋的相位保持在180°以內，那么控制環路將總是穩定的。當然，在實際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，倘若不采用適合的環路補償，這類相移同樣會導致開關電源的不穩定。

1穩定性指標

掂量開關電源穩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用途：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現的動態過程;另一個用途是當元器件參數發生變化時，依然可以保證系統穩定。相位裕度只能用來保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時，電源不可戒備要進入“大信號穩定”范圍。工程中我們認為在室溫柔標準輸入、正常負載條件下，環路的相位裕度要求大于45°。在各種參數變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統穩定。倘若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，開關電源控制環路由以下3部分構成。

(1)功率變換器部分，緊要蘊含方波驅動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調節部分，緊要蘊含pWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比較放大部分，緊要蘊含輸出電壓采樣、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穩定性，是設計的重點和難點)。

圖1開關電源控制環路示意圖

2穩定性分解

如圖1所示，倘若在節點A處引入干擾波。此方波所蘊含的能量分配成無限列奇次諧波分量。倘若測試到真切系統對不斷增大的諧波有應和，則可以看出增益和相移也隨著頻率的新增而改變。倘若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的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統在此頻率下振蕩。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)擾動時系統的應和;但是倘若擾動很大，系統的應和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應和時，原來的系統就會表現為非線性，而且傳遞函數的辦法就不能持續使用了。因此，雖然小信號穩定是非得滿足的，但還不足以保證電源的穩定工作。因此，在設計電源環路補償時，不但要考慮信號電源系統的應和特性，還要解決好電源系統的大信號應和特性。電源系統對大信號應和特性的優劣可以通過負載躍變應和特性和輸入電壓躍變應和特性來判斷，負載躍變應和特性和輸入電壓躍變應和特性存在很強的連帶關系，負載躍變應和特性好，則輸入電壓躍變應和特性一定好。

對開關電源環路穩定性判據的理論分解是很復雜的，這是因為傳遞函數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，在考慮大信號瞬態的情況下，控制電路工作方式轉變為非線性工作方式，此時僅用線性分解將無法得到完整的狀態描述。下面具體解析通過對負載躍變瞬態應和波形分解來判斷開關電源環路穩定性。

3穩定性探測

探測條件：

(1)無感電阻;

(2)負載變化幅度為10%~100%;

(3)負載開關頻率可調(在獲得同樣理想應和波形的條件下，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，沒有表明負載電流大小和變化率的瞬態應和曲線圖形無任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形。

圖3(b)為阻尼應和，控制環在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種應和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定。因此，要盡量戒備這種類型的應和，補償網絡也應當調整在稍低的頻率下降離。

圖3(c)為過阻尼應和，雖然比較穩定，但是瞬態恢復性能并非最好。滑離頻率應當增大。

圖3(d)為理想應和波形，接近最優情況，在絕大多數使用中，瞬態應和穩定且性能優良，增益裕度和相位裕度充分。

圖3開關電源瞬態負載條件下的幾種類型

關于正向和負向尖峰，對稱的波形是同樣要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內有中心線，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。