開(kāi)關(guān)電源的穩定性設計
引言
眾所周知，任何閉環(huán)系統在增益為單位增益，且內部隨頻率變化的相移為360°時(shí)，該閉環(huán)控制系統都會(huì )存在不穩定的可能性。因此幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)閉環(huán)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地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以?xún)�，那么控制環(huán)路將總是穩定的。當然，在現實(shí)中這種情況是不會(huì )存在的，由于各種各樣的開(kāi)關(guān)延時(shí)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(lèi)相移同樣會(huì )導致開(kāi)關(guān)電源的不穩定。
1 穩定性指標
衡量開(kāi)關(guān)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(shí)所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對應的增益大小(實(shí)際是衰減)。在實(shí)際設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，只在設計反激變換器時(shí)才考慮增益裕度，設計其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度。
在開(kāi)關(guān)電源設計中，相位裕度有兩個(gè)相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時(shí)出現的動(dòng)態(tài)過(guò)程；另一個(gè)作用是當元器件參數發(fā)生變化時(shí)，仍然可以保證系統穩定。相位裕度只能用來(lái)保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號穩定”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°。在各種參數變化和誤差情況下，這個(gè)相位裕度足以確保系統穩定。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l所示為開(kāi)關(guān)電源控制方框示意圖，開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)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(dòng)功率開(kāi)關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器；
(2)脈沖寬度調節部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；
(3)采樣、控制比較放大部分，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(zhù)開(kāi)關(guān)電源系統穩定性，是設計的重點(diǎn)和難點(diǎn))。
2 穩定性分析
如圖1所示，假如在節點(diǎn)A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無(wú)限列奇次諧波分量。如果檢測到真實(shí)系統對不斷增大的諧波有響應，則可以看出增益和相移也隨著(zhù)頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l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(huì )有足夠的能量返回到系統的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會(huì )采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開(kāi)關(guān)電源在所有頻率下都保持穩定。
波特圖對應于小信號(理論上的小信號是無(wú)限小的)擾動(dòng)時(shí)系統的響應；但是如果擾動(dòng)很大，系統的響應可能不是由反饋的線(xiàn)性部分決定的，而可能是由非線(xiàn)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響應時(shí)，原來(lái)的系統就會(huì )表現為非線(xiàn)性，而且傳遞函數的方法就不能繼續使用了。因此，雖然小信號穩定是必須滿(mǎn)足的，但還不足以保證電源的穩定工作。因此，在設計電源環(huán)路補償時(shí)，不但要考慮信號電源系統的響應特性，還要處理好電源系統的大信號響應特性。電源系統對大信號響應特性的優(yōu)劣可以通過(guò)負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來(lái)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(guān)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(kāi)關(guān)電源環(huán)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(zhù)負載條件的改變而改變。各種不同線(xiàn)繞功率元器件的有效電感值通常會(huì )隨著(zhù)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�(xiàn)性工作方式，此時(shí)僅用線(xiàn)性分析將無(wú)法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過(guò)對負載躍變瞬態(tài)響應波形分析來(lái)判斷開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩定性。
穩定性測試 #e#
3 穩定性測試
測試條件：
(1)無(wú)感電阻；
(2)負載變化幅度為10％~100％；
(3)負載開(kāi)關(guān)頻率可調(在獲得同樣理想響應波形的條件下，開(kāi)關(guān)頻率越高越好)；
(4)限定負載開(kāi)關(guān)電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒(méi)有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應曲線(xiàn)圖形無(wú)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(shuō)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定。因此，要盡量避免這種類(lèi)型的響應，補償網(wǎng)絡(luò )也應該調整在稍低的頻率下滑離。
圖3(c)為過(guò)阻尼響應，雖然比較穩定，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，在絕大多數應用中，瞬態(tài)響應穩定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。
4．5 測量設備
波特圖的測量設備如下：
(1)一個(gè)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(gè)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(zhuān)業(yè)的增益及相位測量?jì)x表。
測試點(diǎn)的選擇：理論上講，可以在環(huán)路的任意點(diǎn)上進(jìn)行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號注入節點(diǎn)的選擇時(shí)必須兼顧兩點(diǎn)：電源阻抗較低且下一級的輸入阻抗較高。而且，必須有一個(gè)單一的信號通道。實(shí)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(mǎn)足了上述的標準。電源阻抗(在信號注入的方向上)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(gè)位置也同樣滿(mǎn)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(wú)論是國外還是國內DC／DC電源線(xiàn)路的設計，就隔離方式來(lái)講都可歸結為兩種最基本的形式：前置啟動(dòng)+前置PWM控制和后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制。具體結構框圖如圖6和圖7所示。
國內外DC／DC電源設計大多采用前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式，后級以開(kāi)關(guān)形式將采樣比較的誤差信號通過(guò)光電耦合器件隔離傳輸到前級PWM電路進(jìn)行脈沖寬度的調節，進(jìn)而實(shí)現整體DC／DC電源穩壓控制。如圖6所示，前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩定過(guò)程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調寬→輸出穩壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產(chǎn)品都屬于此種控制方式。此類(lèi)拓撲結構電源產(chǎn)品就環(huán)路穩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PWM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)路穩定性補償設計時(shí)僅供參考；
(4)其它部分如功率管驅動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩定性補償設計時(shí)可以不必考慮。
而如圖7所示，后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩定過(guò)程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調寬→隔離驅動(dòng)→輸出穩壓。此類(lèi)拓撲結構電源產(chǎn)品就環(huán)路穩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)路穩定性補償設計時(shí)僅供參考。
(3)其它部分如隔離啟動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩定性補償設計時(shí)可以不必考慮。
比較圖6和圖7控制方式和環(huán)路穩定性補償設計可知，圖7后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)捷；
(2)只需對后置PWM集成電路內部電壓比較器進(jìn)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；
(4)負載瞬態(tài)特性好；
(5)輸入瞬態(tài)特性好；
(6)抗輻照能力強。實(shí)驗證明光電耦合器件即使進(jìn)行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會(huì )大于2x104Rad(Si)，不適合航天電源高可靠、長(cháng)壽命的應用要求。
6 結語(yǔ)
開(kāi)關(guān)電源設計重點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是磁路設計，重點(diǎn)解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問(wèn)題。二是穩定性設計，重點(diǎn)解決的是輸出電壓的品質(zhì)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源穩定性設計的好壞直接決定著(zhù)開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩定性、生產(chǎn)和調試難易度。將上述開(kāi)關(guān)電源穩定性設計方法和結論應用到開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。
對于正向和負向尖峰，對稱(chēng)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(xiàn)，且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。
上面介紹了開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩定性判據，就是通過(guò)波特圖判定小信號下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過(guò)負載躍變瞬態(tài)響應波形判定大信號下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的穩定性。下面介紹四種控制環(huán)路穩定性的設計方法。
4 穩定性設計方法
4．1 分析法
根據閉環(huán)系統的理論、數學(xué)及電路模型進(jìn)行分析(計算機仿真)。實(shí)際上進(jìn)行總體分析時(shí)，要求所有的參數要精確地等于規定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個(gè)電流變化范圍內，電感值不可能保持常數。同樣，能改變系統線(xiàn)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(shù)”來(lái)確定補償控制放大器所必須具有的特性。
要想使實(shí)際的放大器完全滿(mǎn)足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標是實(shí)現盡可能地接近。具體步驟如下：
(1)找到開(kāi)環(huán)曲線(xiàn)中極點(diǎn)過(guò)零處所對應的頻率，在補償網(wǎng)絡(luò )中相應的頻率周?chē)幰肓泓c(diǎn)，那么在直到等于穿越頻率的范圍內相移小于315°(相位裕度至少為45°)；
(2)找到開(kāi)環(huán)曲線(xiàn)中EsR零點(diǎn)對應的頻率，在補償網(wǎng)絡(luò )中相應的頻率周?chē)幰霕O點(diǎn)(否則這些零點(diǎn)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(wú)法得到期望的直流校正那么可以引入一對零極點(diǎn)以提高低頻下的增益。
大多數情況下，需要進(jìn)行“微調”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負載測量法。
4. 3 經(jīng)驗法
采用這種方法，是控制環(huán)路采用具有低頻主導極點(diǎn)的過(guò)補償控制放大器組成閉環(huán)來(lái)獲得初始穩定性。然后采用瞬時(shí)脈沖負載方法來(lái)補償網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這種方法快而有效。其缺點(diǎn)是無(wú)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(diǎn)，主要取決于設計人員的技能和經(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(kāi)關(guān)電源系統的波特圖，測量步驟如下。
如圖4所示為測量閉環(huán)電源系統波特圖的增益和相位時(shí)采用的一個(gè)常用方法，此方法的特點(diǎn)是無(wú)需改動(dòng)原線(xiàn)路。
如圖4所示，振蕩器通過(guò)變壓器T1引入一個(gè)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)為系統的電壓增益。相位差就是整個(gè)環(huán)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(huán)路都在其正常的線(xiàn)性范圍內工作。
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