一種開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計方案

眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益l，且內(nèi)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(guān)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(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當然，在現(xiàn)實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關(guān)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(guān)電源的不穩(wěn)定。

1 穩(wěn)定性指標

衡量開關(guān)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(yīng)的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應(yīng)的增益大小(實際是衰減)。在實際設(shè)計開關(guān)電源時，只在設(shè)計反激變換器時才考慮增益裕度，設(shè)計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

在開關(guān)電源設(shè)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，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(yīng)大于30°。

如圖l所示為開關(guān)電源控制方框示意圖，開關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成。

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動功率開關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調(diào)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，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(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設(shè)計最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設(shè)計的重點和難點)。

圖1 開關(guān)電源控制環(huán)路示意圖

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(yīng)，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l且總的額外相移為180°(此相移加上原先設(shè)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(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

圖2 開關(guān)電源的伯特圖（相位裕度、增益裕度）