開關電源穩(wěn)定性的設計與測試介紹

引言

眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)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(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，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當然，在現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。

一：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的動態(tài)過程；另一個作用是當元器件參數發(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1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，主要包含方波驅動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器；

(2)脈沖寬度調節(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)。

二：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。

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)就會表現為非線性，而且傳遞函數的方法就不能繼續(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)定性判據的理論分析是很復雜的，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(tài)的情況下，控制電路工作方式轉變?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。

三：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(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，補償網絡也應該調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?；x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。

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，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。下面介紹四種控制環(huán)路穩(wěn)定性的設計方法。

四：穩(wěn)定性設計方法

4．1 分析法

根據閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數學及電路模型進行分析(計算機仿真)。實際上進行總體分析時，要求所有的參數要精確地等于規(guī)定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個電流變化范圍內，電感值不可能保持常數。同樣，能改變系統(tǒng)線性工作的較大瞬態(tài)響應也是很難預料到的

4．2 試探法

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

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

(1)找到開環(huán)曲線中極點過零處所對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入零點，那么在直到等于穿越頻率的范圍內相移小于315°(相位裕度至少為45°)；

(2)找到開環(huán)曲線中EsR零點對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入極點(否則這些零點將使增益特性變平，且不能按照期望下降)；

(3)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零極點以提高低頻下的增益。

大多數情況下，需要進行“微調”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負載測量法。

4. 3 經驗法

采用這種方法，是控制環(huán)路采用具有低頻主導極點的過補償控制放大器組成閉環(huán)來獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時脈沖負載方法來補償網絡進行動態(tài)優(yōu)化，這種方法快而有效。其缺點是無法確定性能的最優(yōu)。

4．4 計算和測量結合方法

綜合以上三點，主要取決于設計人員的技能和經驗。

對于用上述方法設計完成的電源可以用下列方法測量閉環(huán)開關電源系統(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采用的一個常用方法，此方法的特點是無需改動原線路。

如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個很小的串聯型電壓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。相位差就是整個環(huán)路的相移(在考慮到固定的180°負反饋反相位之后)。

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

4．5 測量設備

波特圖的測量設備如下：

(1)一個可調頻率的振蕩器V3，頻率范圍從10Hz(或更低)到50kHz(或更高)；

(2)兩個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；

(3)專業(yè)的增益及相位測量儀表。

測試點的選擇：理論上講，可以在環(huán)路的任意點上進行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號注入節(jié)點的選擇時必須兼顧兩點：電源阻抗較低且下一級的輸入阻抗較高。而且，必須有一個單一的信號通道。實踐中，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準。電源阻抗(在信號注入的方向上)是電源部分的低輸出阻抗，而下一級的輸入阻抗是控制放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號注入的第二個位置也同樣滿足這一標準，它位于圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調制器之間。

五：最佳拓撲結構

無論是國外還是國內DC／DC電源線路的設計，就隔離方式來講都可歸結為兩種最基本的形式：前置啟動+前置PWM控制和后置隔離啟動+后置PWM控制。具體結構框圖如圖6和圖7所示。

國內外DC／DC電源設計大多采用前置啟動+前置PWM控制方式，后級以開關形式將采樣比較的誤差信號通過光電耦合器件隔離傳輸到前級PWM電路進行脈沖寬度的調節(jié)，進而實現整體DC／DC電源穩(wěn)壓控制。如圖6所示，前置啟動+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系列等等產品都屬于此種控制方式。此類拓撲結構電源產品就環(huán)路穩(wěn)定性補償設計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)路補償設計；

(2)以前置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環(huán)路補償設計；

(3)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設計時僅供參考；

(4)其它部分如功率管驅動、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設計時可以不必考慮。

而如圖7所示，后置隔離啟動+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調寬→隔離驅動→輸出穩(wěn)壓。此類拓撲結構電源產品就環(huán)路穩(wěn)定性補償設計主要集中在如下各部分：

(1)以后置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環(huán)路補償設計；

(2)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設計時僅供參考。

(3)其它部分如隔離啟動、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補償設計時可以不必考慮。

比較圖6和圖7控制方式和環(huán)路穩(wěn)定性補償設計可知，圖7后置隔離啟動+后置PWM控制方式的優(yōu)點如下：

(1)減少了后級采樣、比較、放大和光電耦合，控制環(huán)路簡捷；

(2)只需對后置PWM集成電路內部電壓比較器進行環(huán)路補償設計，控制環(huán)路的響應頻率較寬；

(3)相位裕度大；

(4)負載瞬態(tài)特性好；

(5)輸入瞬態(tài)特性好；

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

六：結語

開關電源設計重點有兩點：一是磁路設計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩(wěn)定性設計，重點解決的是輸出電壓的品質問題。開關電源穩(wěn)定性設計的好壞直接決定著開關電源啟動特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩(wěn)定性、生產和調試難易度。將上述開關電源穩(wěn)定性設計方法和結論應用到開關電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。