環(huán)路相位開關電源穩(wěn)定性設計方案

1、環(huán)路相位-開關電源穩(wěn)定性設計專業(yè)技術環(huán)路相位-開關電源穩(wěn)定性設計摘要：環(huán)路,相位,增益,負載,開關電源,穩(wěn)定性，電壓,相移,電源,頻率，信號接收機-基于單芯片 的GPS接收機硬件設計白光調光-白光和彩色光智能照明系統(tǒng)解決方案設備方案-臺達UPS在中小企業(yè) 中的創(chuàng)新應用方案觸摸屏電容-電容式觸摸屏系統(tǒng)解決方案測量肺活量-利用高性能模擬器件簡化便攜 式醫(yī)療設備設計測量溫度-熱敏電阻（NTC啲基本參數(shù)及其應用動能產品-動能電子企業(yè)文化活動豐富員 工生活電路板鍍錫-無錫華文默克發(fā)布PCB/SMTT藝方案引擎電壓-采用接近傳感器的火花探測器太陽 能控制器-太陽能LED街燈的挑戰(zhàn)及安森美半導體高能效解決方

2、案眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益I，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，如果反饋眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益I，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(xiàn)實中

3、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)1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-180度時所對應的增益大?。▽嶋H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(xiàn)的動態(tài)過 程；另一個作用是當元器件參數(shù)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

4、，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(shù)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I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線路輸人第一部分_紡亦韻T：功率V=t 1c.! A1電源輸岀 It -第三部分圖1開關電源控制環(huán)路示意圖（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，

5、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。2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，貝冋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I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

6、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)定增益相位60-450100100k-540圖2幵關電源的伯特圖（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(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(xiàn)為 非線性，而且傳遞函數(shù)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

7、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(jù)的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數(shù)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

8、形分析來判 斷開關電源環(huán)路穩(wěn)定性。3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5us或者2A/卩s，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(wǎng)絡也應該調整在稍低的頻率下滑離。100% 1伉我j2%O 瞬變負找液形Cb 俎阻丿邑廿生能(門 過阻疋寸生育乜(d)最

9、優(yōu)哇腿圖 3 開關電游鱗態(tài)負我條件下丿匚種腆型咔)應波形圖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(shù)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(jù)，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。4穩(wěn)

10、定性設計方法4 . 1分析法 根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數(shù)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(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 電流變化范圍內，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(xiàn)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(wǎng)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

11、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(wǎng)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(shù)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(jīng)？?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(wǎng)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

12、經(jīng)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 I'泅彳3拗u艸世測if詔斗殲關丫乜誨M J列環(huán)系參趾滋I試t邑躋原線路如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個很小的串聯(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。相位差就是整個環(huán)路的相移 （在考慮到固定的180°負 反饋反相位之后o輸入信號電平必須足

13、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

14、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5最佳拓撲結構 無論是國外還是國內DCy 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。sAL3vin 力種圧塊1I- “ 伽只iiA獨；m他塊鼻j * you >-r| vo< riL勺吉二©sIrtr "眾 啟 刊十制盜 I'W M 才總 ?！?VOLT>

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16、差比較PWM調寬輸出穩(wěn)壓。Interpoint 公司的MHF系 列、SMHF系列、MSAS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PW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- PWMfe路誤差比較一 PWMB寬一隔離驅動 一輸出穩(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；