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1、开关电源稳定性设计hesp导语：任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反应控制系统，进而能获得较好的性能。在负反应系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180相移，假如反应的相位保持在180以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，假如不采用合适的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定1稳定性指标衡量开关
2、电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小实际是衰减。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。在开关电源设计中，相位裕度有两个互相独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态经过；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定。在负载阶跃变化时，电源不可防止要进入“大信号稳定范围。工程中我们以为在室温顺标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统
3、稳定。假如负载变化或输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30。如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3局部构成。img=352,273cms50hz/files/RemoteFiles/20200213/444284001.jpg/img1功率变换器局部，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；2脉冲宽度调节局部，主要包含PWM脉宽比拟器、图腾柱功率放大；3采样、控制比拟放大局部，主要包含输出电压采样、比拟、放大如TL431、误差放大传输如光电耦合器和PWM集成电路内部集成的电压比拟器这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源
4、系统稳定性，是设计的重点和难点。2稳定性分析如图1所示，假设在节点A处引入干扰波。此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量。假如检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，那么可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。假如在某一频率下增益即是l且总的额外相移为180此相移加上原先设定的180相移，总相移量为360，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位一样，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反应补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得得开关电源在所有频率下都保持稳定。img=327,281cms50hz/files/RemoteFil
5、es/20200213/444284002.jpg/img波特图对应于小信号理论上的小信号是无限小的扰动时系统的响应；但是假如扰动很大，系统的响应可能不是由反应的线性局部决定的，而可能是由非线性局部决定的，如运放的压摆率、增益带宽或电路中可能到达的最小、最大占空比等。当这些因素影响系统响应时，原来的系统就会表现为非线性，而且传递函数的方法就不能继续使用了。因此，固然小信号稳定是必须知足的，但还缺乏以保证电源的稳定工作。因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，还要处理好电源系统的大信号响应特性。电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性来判
6、定，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，那么输入电压跃变响应特性一定好。对开关电源环路稳定性判据的理论分析是很复杂的，这是由于传递函数随着负载条件的改变而改变。各种不同线绕功率元器件的有效电感值通常会随着负载电流而改变。此外，在考虑大信号瞬态的情况下，控制电路工作方式转变为非线性工作方式，此时仅用线性分析将无法得到完好的状态描绘。下面具体介绍通过对负载跃变瞬态响应波形分析来判定开关电源环路稳定性。3稳定性测试测试条件：1无感电阻；2负载变化幅度为10100；3负载开关频率可调在获得同样理想响应波形的条件下，开关频率越高越好；4限定负载开关电流变化率为5
7、As或2A/s，没有声明负载电流大小和变化率的瞬态响应曲线图形无任何意义。图3a为瞬变负载波形。图3b为阻尼响应，控制环在瞬变边沿之后带有振荡。讲明拥有这种响应电源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定条件下才能稳定。因此，要尽量防止这种类型的响应，补偿网络也应该调整在稍低的频率下滑离。img=353,627cms50hz/files/RemoteFiles/20200213/444284003.jpg/img图3c为过阻尼响应，固然比拟稳定，但是瞬态恢复性能并非最好。滑离频率应该增大。图3d为理想响应波形，接近最优情况，在绝大多数应用中，瞬态响应稳定且性能优良，增益裕度和相位裕度充足。
8、对于正向和负向尖峰，对称的波形是同样需要的，因此从它可以看出控制局部和电源局部在控制内有中心线，且在负载的增大和减少的情况下它们的摆动速率是一样的。上面介绍了开关电源控制环路的两个稳定性判据，就是通过波特图断定小信号下开关电源控制环路的相位裕度和通过负载跃变瞬态响应波形断定大信号下开关电源控制环路的稳定性。下面介绍四种控制环路稳定性的设计方法。4稳定性设计方法41分析法根据闭环系统的理论、数学及电路模型进展分析计算机仿真。实际上进展总体分析时，要求所有的参数要准确地即是规定值是不大可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。同样，能改变系统线性工作的较大瞬态响应也是很难意
9、料到的。42试探法首先测量好脉宽调整器和功率变换器局部的传递特性，然后用“差分技术来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。要想使实际的放大器完全知足最优特性是不大可能的，主要的目的是实现尽可能地接近。详细步骤如下：1找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率四周处引入零点，那么在直到即是穿越频率的范围内相移小于315相位裕度至少为45；2找到开环曲线中EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率四周处引入极点否那么这些零点将使增益特性变平，且不能按照期望下降；3假如低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以进步低频下的增益大多数情况下，需要进展“微调，最好的方
10、法是采用瞬态负载测量法。4.3经控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进展动态优化，这种方法快而有效。其缺点是无法确定性能的最优。b44计算和测量结合方法/b综合以上三点，主要取决于设计人员的技能和经历。对于用上述方法设计完成的电源可以用以下方法测量闭环开关电源系统的波特图，测量步骤如下。如图4所示为测量闭环电源系统波特图的增益和相位时采用的一个常用方法，此方法的特点是无需改动原线路。img=387,303cms50hz/files/RemoteFiles/20200213/444284004.jpg/img如图4所示，振荡器
11、通过变压器T1引入一个很小的串联型电压V3至环路。流入控制放大器的有效沟通电压由电压表V1测量，输出端的沟通电压那么由电压表V2测量电容器C1和C2起隔直流电流的作用。V2/V1以分贝形式为系统的电压增益。相位差就是整个环路的相移在考虑到固定的180负反应反相位之后。输入信号电平必须足够小，以使全部控制环路都在其正常的线性范围内工作。b45测量设备/b波特图的测量设备如下：1一个可调频率的振荡器V3，频率范围从10Hz或者更低到50kHz或者更高；2两个窄带且可选择显示峰值或者有效值的电压表V1和V2，其适用频率与振荡器频率范围一样；3专业的增益及相位测量仪表。测试点的选择：理论上讲，可以在环
12、路的任意点上进展伯特图测量，但是，为了获得好的测量度，信号注入节点的选择时必须兼顾两点：电源阻抗较低且下一级的输入阻抗较高。而且，必须有一个单一的信号通道。理论中，一般可把测量变压器接入到图4或者图5控制环路中接入测量变压器的位置。图4中T1的位置知足了上述的标准。电源阻抗在信号注入的方向上是电源局部的低输出阻抗，而下一级的输入阻抗是控制放大器A1的高输入阻抗。图5中信号注入的第二个位置也同样知足这一标准，它位于图5中低输出的放大器A1和高输入阻抗的脉宽调制器之间。img=394,373cms50hz/files/RemoteFiles/20200213/444284005.jpg/imgb5
13、最正确拓扑构造/b无论是国外还是国内DCDC电源线路的设计，就隔离方式来讲都可归结为两种最根本的形式：前置启动+前置PWM控制和后置隔离启动+后置PWM控制。详细构造框图如图6和图7所示。img=397,475cms50hz/files/RemoteFiles/20200213/444284006.jpg/img国内外DCDC电源设计大多采用前置启动+前置PWM控制方式，后级以开关形式将采样比拟的误差信号通过光电耦合器件隔离传输到前级PWM电路进展脉冲宽度的调节，进而实现整体DCDC电源稳压控制。如图6所示，前置启动+前置PWM控制方式框图所示，输出电压的稳定经过是：输出误差采样比拟放大光隔离
14、传输PWM电路误差比拟PWM调宽输出稳压。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等产品都属于此种控制方式。此类拓扑构造电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各局部：1以集成电路U2为核心的采样、比拟电路的环路补偿设计；2以前置PWM集成电路内部电压比拟器为核心的环路补偿设计；3输出滤波器设计主要考虑输出电压电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考；4其它局部如功率管驱动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。而如图7所示，后置隔离启动+后置PWM控制方式框图，输出电压的稳定经过是：输出误差采样PWM电路误差比拟PWM
15、调宽隔离驱动输出稳压。此类拓扑构造电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各局部：1以后置PWM集成电路内部电压比拟器为核心的环路补偿设计；2输出滤波器设计主要考虑输出电压电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考。3其它局部如隔离启动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。比拟图6和图7控制方式和环路稳定性补偿设计可知，图7后置隔离启动+后置PWM控制方式的优点如下：1减少了后级采样、比拟、放大和光电耦合，控制环路简捷；2只需对后置PWM集成电路内部电压比拟器进展环路补偿设计，控制环路的响应频率较宽；3相位裕度大；4负载瞬态特性好；5输入瞬态特性好；6抗辐照才能强。实验证实光电耦合器件即使进展了抗辐照加固其抗辐照总剂量也不会大于2x104RadSi，不合适航天电源高可靠、长寿命的应用要求。6结语开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题。二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。开关电源稳定性设计的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、上下温稳定性、消费和调试难易度。将上述开关电源稳定性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍。