中心議題：

• 開關電源穩定性指標
• 開關電源穩定性分析
• 開關電源穩定性測試

解決方案：

• 采用適合的環路補償
• 采用反饋補償元器件減少更高頻率下的增益

眾所周知，任何閉環係統在增益為單位增益l

，且內部隨頻率變化的相移為360°shi
，gaibihuankongzhixitongdouhuicunzaibuwendingdekenengxing。yincijihusuoyoudekaiguandianyuandouyouyigebihuanfankuikongzhixitong，congernenghuodejiaohaodexingneng。zaifufankuixitongzhong，kongzhifangdaqidelianjiefangshiyouyidiyinrule180°相移
，如果反饋的相位保持在180°yinei，namekongzhihuanlujiangzongshiwendingde。dangran，zaixianshizhongzhezhongqingkuangshibuhuicunzaide，youyugezhonggeyangdekaiguanyanshihediankangyinruleewaidexiangyi
，ruguobucaiyongshihedehuanlubuchang，zheleixiangyitongyanghuidaozhikaiguandianyuandebuwending。

1 穩定性指標

衡量開關電源穩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，隻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過程;另一個作用是當元器件參數發生變化時，仍然可以保證係統穩定。相位裕度隻能用來保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩定”範圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入
、正常負載條件下，環路的相位裕度要求大於45°。zaigezhongcanshubianhuahewuchaqingkuangxia，zhegexiangweiyuduzuyiquebaoxitongwending。ruguofuzaibianhuahuozheshurudianyafanweibianhuafeichangda，kaolvzaisuoyoufuzaiheshurudianyaxiahuanluhexiangweiyuduyingdayu30°。

如圖l所示為開關電源控製方框示意圖
，開關電源控製環路由以下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)脈衝寬度調節部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控製比較放大部分
，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係統穩定性，是設計的重點和難點)。
 

圖1 開關電源控製環路示意圖

2 穩定性分析

如圖1所示，假如在節點A處chu引yin入ru幹gan擾rao波bo。此ci方fang波bo所suo包bao含han的de能neng量liang分fen配pei成cheng無wu限xian列lie奇qi次ci諧xie波bo分fen量liang。如ru果guo檢jian測ce到dao真zhen實shi係xi統tong對dui不bu斷duan增zeng大da的de諧xie波bo有you響xiang應ying，則ze可ke以yi看kan出chu增zeng益yi和he相xiang移yi也ye隨sui著zhe頻pin率lv的de增zeng加jia而er改gai變bian。如ru果guo在zai某mou一yi頻pin率lv下xia增zeng益yi等deng於yul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°)，那麼將會有足夠的能量返回到係統的輸入端，且相位與原相位相同
，那麼幹擾將維持下去
，係統在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下
，控製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定。
 

圖2 開關電源的伯特圖（相位裕度
、增益裕度）

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波特圖對應於小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時係統的響應;但是如果擾動很大，係統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(zui)大(da)占(zhan)空(kong)比(bi)等(deng)。當(dang)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)響(xiang)應(ying)時(shi)，原(yuan)來(lai)的(de)係(xi)統(tong)就(jiu)會(hui)表(biao)現(xian)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)，而(er)且(qie)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)的(de)方(fang)法(fa)就(jiu)不(bu)能(neng)繼(ji)續(xu)使(shi)用(yong)了(le)。因(yin)此(ci)
，雖(sui)然(ran)小(xiao)信(xin)號(hao)穩(wen)定(ding)是(shi)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)的(de)，但(dan)還(hai)不(bu)足(zu)以(yi)保(bao)證(zheng)電(dian)源(yuan)的(de)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)。因(yin)此(ci)

，在(zai)設(she)計(ji)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)時(shi)，不(bu)但(dan)要(yao)考(kao)慮(lv)信(xin)號(hao)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)，還(hai)要(yao)處(chu)理(li)好(hao)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)。電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)對(dui)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)的(de)優(you)劣(lie)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)來(lai)判(pan)斷(duan)，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)存(cun)在(zai)很(hen)強(qiang)的(de)連(lian)帶(dai)關(guan)係(xi)

，負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)好(hao)，則(ze)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)躍(yue)變(bian)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)一(yi)定(ding)好(hao)。

對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)穩(wen)定(ding)性(xing)判(pan)據(ju)的(de)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)是(shi)很(hen)複(fu)雜(za)的(de)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)的(de)改(gai)變(bian)而(er)改(gai)變(bian)。各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)線(xian)繞(rao)功(gong)率(lv)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)有(you)效(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi)通(tong)常(chang)會(hui)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)而(er)改(gai)變(bian)。此(ci)外(wai)，在(zai)考(kao)慮(lv)大(da)信(xin)號(hao)瞬(shun)態(tai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)轉(zhuan)變(bian)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)
，此(ci)時(shi)僅(jin)用(yong)線(xian)性(xing)分(fen)析(xi)將(jiang)無(wu)法(fa)得(de)到(dao)完(wan)整(zheng)的(de)狀(zhuang)態(tai)描(miao)述(shu)。下(xia)麵(mian)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)通(tong)過(guo)對(dui)負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)波(bo)形(xing)分(fen)析(xi)來(lai)判(pan)斷(duan)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)環(huan)路(lu)穩(wen)定(ding)性(xing)。

3 穩定性測試

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響應曲線圖形無任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形。

圖3(b)weizunixiangying
，kongzhihuanzaishunbianbianyuanzhihoudaiyouzhendang。shuomingyongyouzhezhongxiangyingdianyuandezengyiyuduhexiangweiyududouhenxiao，qiezhinengzaimouxietedingtiaojianxiacainengwending。yinci
，yaojinliangbimianzhezhongleixingdexiangying
，buchangwangluoyeyinggaitiaozhengzaishaodidepinlvxiahuali。

圖3(c)為過阻尼響應，雖然比較穩定
，但是瞬態恢複性能並非最好。滑離頻率應該增大。

圖3(d)為理想響應波形，接近最優情況
，在絕大多數應用中
，瞬態響應穩定且性能優良
，增益裕度和相位裕度充足。
 

圖3 開關電源瞬態負載條件下的幾種類型

對dui於yu正zheng向xiang和he負fu向xiang尖jian峰feng，對dui稱cheng的de波bo形xing是shi同tong樣yang需xu要yao的de

，因yin此ci從cong它ta可ke以yi看kan出chu控kong製zhi部bu分fen和he電dian源yuan部bu分fen在zai控kong製zhi內nei有you中zhong心xin線xian，且qie在zai負fu載zai的de增zeng大da和he減jian少shao的de情qing況kuang下xia它ta們men的de擺bai動dong速su率lv是shi相xiang同tong的de。

上(shang)麵(mian)介(jie)紹(shao)了(le)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)的(de)兩(liang)個(ge)穩(wen)定(ding)性(xing)判(pan)據(ju)
，就(jiu)是(shi)通(tong)過(guo)波(bo)特(te)圖(tu)判(pan)定(ding)小(xiao)信(xin)號(hao)下(xia)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)的(de)相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)和(he)通(tong)過(guo)負(fu)載(zai)躍(yue)變(bian)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)波(bo)形(xing)判(pan)定(ding)大(da)信(xin)號(hao)下(xia)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。