工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（六）(3)

　　3 穩(wěn)定性測試

　　測試條件：

　?。?）無感電阻；

　?。?）負(fù)載變化幅度為10％~100％；

　?。?）負(fù)載開關(guān)頻率可調(diào)（在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下，開關(guān)頻率越高越好）；

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

　　圖3（a）為瞬變負(fù)載波形。

　　圖3（b）為阻尼響應(yīng)，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應(yīng)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(yīng)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該調(diào)整在稍低的頻率下滑離。

　　圖3（c）為過阻尼響應(yīng)，雖然比較穩(wěn)定，但是瞬態(tài)恢復(fù)性能并非最好?；x頻率應(yīng)該增大。

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

　　對(duì)于正向和負(fù)向尖峰，對(duì)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(fù)載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。

　　上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。下面介紹四種控制環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。

　　4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法

　　4．1 分析法

　　根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數(shù)學(xué)及電路模型進(jìn)行分析（計(jì)算機(jī)仿真）。實(shí)際上進(jìn)行總體分析時(shí)，要求所有的參數(shù)要精確地等于規(guī)定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個(gè)電流變化范圍內(nèi)，電感值不可能保持常數(shù)。同樣，能改變系統(tǒng)線性工作的較大瞬態(tài)響應(yīng)也是很難預(yù)料到的。

　　4．2 試探法

　　首先測量好脈寬調(diào)整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術(shù)”來確定補(bǔ)償控制放大器所必須具有的特性。

　　要想使實(shí)際的放大器完全滿足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能地接近。具體步驟如下：

　　（1）找到開環(huán)曲線中極點(diǎn)過零處所對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入零點(diǎn)，那么在直到等于穿越頻率的范圍內(nèi)相移小于315°（相位裕度至少為45°）；

　?。?）找到開環(huán)曲線中EsR零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入極點(diǎn)（否則這些零點(diǎn)將使增益特性變平，且不能按照期望下降）；

　?。?）如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正那么可以引入一對(duì)零極點(diǎn)以提高低頻下的增益。

　　大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行“微調(diào)”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負(fù)載測量法。

　　4. 3 經(jīng)驗(yàn)法

　　采用這種方法，是控制環(huán)路采用具有低頻主導(dǎo)極點(diǎn)的過補(bǔ)償控制放大器組成閉環(huán)來獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時(shí)脈沖負(fù)載方法來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這種方法快而有效。其缺點(diǎn)是無法確定性能的最優(yōu)。

　　4．4 計(jì)算和測量結(jié)合方法

　　綜合以上三點(diǎn)，主要取決于設(shè)計(jì)人員的技能和經(jīng)驗(yàn)。

　　對(duì)于用上述方法設(shè)計(jì)完成的電源可以用下列方法測量閉環(huán)開關(guān)電源系統(tǒng)的波特圖，測量步驟如下。

　　如圖4所示為測量閉環(huán)電源系統(tǒng)波特圖的增益和相位時(shí)采用的一個(gè)常用方法，此方法的特點(diǎn)是無需改動(dòng)原線路。

　　如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個(gè)很小的串聯(lián)型電壓V3至環(huán)路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測量（電容器C1和C2起隔直流電流的作用）。V2/V1（以分貝形式）為系統(tǒng)的電壓增益。相位差就是整個(gè)環(huán)路的相移（在考慮到固定的180°負(fù)反饋反相位之后）。

　　輸入信號(hào)電平必須足夠小，以使全部控制環(huán)路都在其正常的線性范圍內(nèi)工作。

　　4．5 測量設(shè)備

　　波特圖的測量設(shè)備如下：

　?。?）一個(gè)可調(diào)頻率的振蕩器V3，頻率范圍從10Hz（或更低）到50kHz（或更高）；

　?。?）兩個(gè)窄帶且可選擇顯示峰值或有效值的電壓表V1和V2，其適用頻率與振蕩器頻率范圍相同；

　?。?）專業(yè)的增益及相位測量儀表。

　　測試點(diǎn)的選擇：理論上講，可以在環(huán)路的任意點(diǎn)上進(jìn)行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號(hào)注入節(jié)點(diǎn)的選擇時(shí)必須兼顧兩點(diǎn)：電源阻抗較低且下一級(jí)的輸入阻抗較高。而且，必須有一個(gè)單一的信號(hào)通道。實(shí)踐中，一般可把測量變壓器接入到圖4或圖5控制環(huán)路中接入測量變壓器的位置。

　　圖4中T1的位置滿足了上述的標(biāo)準(zhǔn)。電源阻抗（在信號(hào)注入的方向上）是電源部分的低輸出阻抗，而下一級(jí)的輸入阻抗是控制放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號(hào)注入的第二個(gè)位置也同樣滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，它位于圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調(diào)制器之間。

　　5 最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　無論是國外還是國內(nèi)DC／DC電源線路的設(shè)計(jì)，就隔離方式來講都可歸結(jié)為兩種最基本的形式：前置啟動(dòng)+前置PWM控制和后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖6和圖7所示。

　　國內(nèi)外DC／DC電源設(shè)計(jì)大多采用前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式，后級(jí)以開關(guān)形式將采樣比較的誤差信號(hào)通過光電耦合器件隔離傳輸?shù)角凹?jí)PWM電路進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體DC／DC電源穩(wěn)壓控制。如圖6所示，前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→輸出穩(wěn)壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產(chǎn)品都屬于此種控制方式。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：

　　（1）以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　　（2）以前置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　?。?）輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考；

　?。?）其它部分如功率管驅(qū)動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

　　而如圖7所示，后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→隔離驅(qū)動(dòng)→輸出穩(wěn)壓。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：

　?。?）以后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　　（2）輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考。

　?。?）其它部分如隔離啟動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

　　比較圖6和圖7控制方式和環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)可知，圖7后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

　?。?）減少了后級(jí)采樣、比較、放大和光電耦合，控制環(huán)路簡捷；

　?。?）只需對(duì)后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，控制環(huán)路的響應(yīng)頻率較寬；

　?。?）相位裕度大；

　?。?）負(fù)載瞬態(tài)特性好；

　?。?）輸入瞬態(tài)特性好；

　　（6）抗輻照能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明光電耦合器件即使進(jìn)行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會(huì)大于2x104Rad（Si），不適合航天電源高可靠、長壽命的應(yīng)用要求。

　　6 結(jié)語

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)重點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是磁路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是輸出電壓的品質(zhì)問題。開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的好壞直接決定著開關(guān)電源啟動(dòng)特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負(fù)載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。將上述開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法和結(jié)論應(yīng)用到開關(guān)電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。