開關電源穩定性和控制環路補償研究

金 花

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164）

穩定性屬于動特性范疇，研究系統的穩定性實際上是研究系統的過渡過程。

穩定環路系統的第一準則是：在開環總增益為1的穿越頻率處，系統的總開環相移必須小于360°。在開關電源中，環路中可能存在低電平的噪聲電壓或暫態電壓，它們的正弦傅里葉分量的頻譜很寬，這些分量經過濾波器.誤差放大器.以及P WM調制器后的增益和相移不一樣，導致開關電源的不穩定。如果反饋的相位保持在180°，那么控制環路總是穩定的，但是現實中這樣的情況不存在，由于各種延時和電抗額外的相移，這類相移會導致開關電源的不穩定。

1 開關電源不穩定的原因分析

幾乎所有的開關電源都有一個閉環負反饋控制系統，從而能獲得較好的性能，在負反饋系統中，控制放大器的連接方式有意引入了180°相移，所以，當任何干擾產生在反饋環路中，通常會產生反相位的反饋，從而消除這些干擾帶來的不良變化。

開關電源系統由變換部分（其傳遞函數主要與變換器的拓撲結構和輸出濾波器有關）、脈沖寬度調制器（為外部控制放大器提供了最大部分的增益）以及控制比較放大器（參考電壓和環路補償網絡）三部分組成。如在輸出端處引入干擾方波，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對不斷增大的諧波有影響，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1且總的額外相移為180°（此相移加上原先設定的180°相移，總位移量為360°），那么將會有足夠的能量返回到系統的輸入端，相位和原相位相同，那么擾動將會繼續堅持下去，在此頻率下震動，但是，通常情況下放大器會采用反饋補償原件減少更高頻率下的增益，使得開關電源在所有頻率下保持穩定。

2 控制環路穩定性分析方法

時域分析：①跳載，瞬時加減載觀察暫態響應；②注入方波信號觀察輸出波形試誤。

頻域分析：①仿真（根據閉環系統的理論、數學及電路模型進行分析），用計算機模擬出伯德圖觀察增益和相位；②頻響分析，掃描信號方式，真實測量環路的增益和相位裕量。采用這種方法，電路的傳遞函數即可使用增益相位測量儀器來求得，脈沖寬度調制器和功率變換器電路的伯德圖可以繪制，采用差分技術確定補償控制放大器所必須的特性。

3 穩定性測試方法

開關電源環路穩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，各種不同繞線功率原件的有效電感值通常會隨負載電流而變化顯著。此外，在大信號瞬態的情況下，控制電路工作方式轉變為非線性工作方式，此時僅用線性分析無法得到完整的狀況描述。

典型的瞬態電流和電壓波形有三種情況，第一種為欠阻尼響應，控制環在瞬變邊緣之后帶有震蕩，那么擁有這種響應的電源增益裕度和相位裕度都很小，只能在某些特定條件下才能穩定，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。第二種為過阻尼響應，雖然比較穩定，但是瞬態恢復性能并非最好，滑離頻率也應該增大。第三種接近于最優情況，在絕大多數應用中，瞬態響應穩定，性能優良，增益裕度和相位裕度充足，但是只在一定條件才能穩定的系統其瞬態性能相當好。

一旦在滿負載下補償元件被優化確定，負載和輸入電壓應該減小，從而獲得整個工作區間的規范條件。對一些單元進行檢查給出工作特性的變動范圍，最后，要檢查環路，采用增益和相位測量方法（伯德圖）來獲得增益裕度和相位裕度從而確保整個系統不是條件穩定的。

完整的伯德圖是一種很好地體現出整個電源系統動態響應性能的方法，伯德圖可以將部分或全部開環哄閉環系統的增益和相位角以圖表的方式表示出來，是建立在十被頻程上的。大部分的穩定電源都有很大的直流增益，從而有一個明確的輸出電壓，這種高增益使我們很難對開環系統進行測量。開環系統中，直流或交流輸入電壓上的一個很小的變動都會使輸出突增至滿輸出，工作方式變成非線性，所要求的直流工作點也不能保持，因此，一般都采用測量閉環系統的伯德圖。

測量閉環伯德圖的增益和相位時采用的一個常用方法圖1所示：

圖1 測量閉環伯德圖

第一部分包括變換器和脈寬調制器，第二部分是電源內的補償控制放大器，測量設備包括變壓器T 1，電壓表V 1，V 2，振蕩器V 3,.他被接在外部輸出端（+O U T）和傳感器（+S）之間，變壓器T 1有較低的輸出阻抗和較寬的帶寬。也提供了一條直流環路使控制環不因直流條件改變而斷開。

振蕩器通過變壓器引入一個很小的串聯型電壓至環路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V 1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V 2測量 （電容器C 1和C 2起隔直流電流的作用）。V 2/V 1（以分貝形式）為系統的電壓增益。相位差就是整個環路的相移（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，以使全部控制環路都在其正常的線性范圍內工作。

測量好脈寬調制器和功率變換器部分的傳遞特性，就可以確定補償控制放大器的參數了。首先找出開環曲線中極點過多處對應的頻率，在對應的頻率引入零點，然后再找出零點對應的頻率，在對應的頻率周圍引入極點。

對于電壓型控制系統正確的做法是減少脈寬調制器和功率變換部分的增益，讓他遠小于單位增益，或也可以使用大于單位增益的反相放大器連接到普通的放大器的反相輸入端。對于電流型控制系統中存在分諧波不穩定的問題，最常用的就是斜率補償，在這個補償的方法中，講恒定幅值的時變電壓和電流的模擬電壓相加，使加到脈寬調制器的波形的斜率至少加倍，這樣可以消除分諧波不穩定。