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开关电源稳定性设计 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馈控制系 统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了 180°相 移，如果反馈的相位保持在 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，如果不采用适合的环 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，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶 跃变化时出现的动态过程；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，电源不可避免要 进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、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 统稳定。如果负载变化或者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 部分构成。 (1)功率变换器部分，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)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM 脉宽比较器、图腾柱功率放大； (3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、 误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路部集成的电压比较器(这些放大器的 补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。 2 稳定性分析 如图 1 所示，假如在节点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。如果检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和 相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于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，且相位与原相位相同，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馈补偿元器件Z2 减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。 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；但是如果 扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分决定的，而可能是由非线性部分 决定的，如运放的压摆率、增益带宽或者电路中可能达到的最小、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，虽然小信号稳定是必须满足的，但还不足以保证电源的 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断，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，则输入电压跃变响应 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，这是因为传递函数随着负载 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整的状态描述。下面详细介绍通过对负载跃变 瞬态响应波形分析来判断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10％~100％； (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5A ／μs 或者2A/μs，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3(a)为瞬变负载波形。 图3(b)为阻尼响应，控制环在瞬变边缘之后带有振荡。说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 避免这种