開關(guān)電源的環(huán)路補償設(shè)計

開關(guān)電源是一種典型的反饋控制系統(tǒng)，其有響應(yīng)速度和穩(wěn)定性兩個重要的指標。響應(yīng)速度就是當負載變化或者輸入電壓變化時，電源能迅速做出調(diào)整的速度。因為開關(guān)電源的負載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC，其電流會隨著邏輯功能的變化而變化，比如FPGA在進行配置時，電流會增大一倍以上。而開關(guān)電源的輸入電壓也會有一定程度的波動。為了保證電源穩(wěn)定輸出，不產(chǎn)生跌落或者過沖，就要求電源必須迅速做出調(diào)整，使得最終輸出的電壓沒有變化。而電源的響應(yīng)速度就決定了電源的調(diào)整速度。

由于電源加入了反饋系統(tǒng)，就可能發(fā)生震蕩。如果電源系統(tǒng)的參數(shù)沒有設(shè)置好，就會產(chǎn)生震蕩，結(jié)果就是電壓上會被疊加一個固定頻率的波動。導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。

開關(guān)電源如下圖所示：

從開關(guān)電源的框圖中可以看出，該系統(tǒng)是通過一個反饋電路，將最終輸出的變化反饋給比例電路，經(jīng)過比例電路的等比例衰減，輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過比較該信號和內(nèi)部參考信號的差異，來驅(qū)動后級脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié)，最終與干擾信號相互抵消，從而保證電源的穩(wěn)定。

那應(yīng)該如何測量出電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性呢，在早期的調(diào)試中，大家會使用一個可變的電子負載來進行測試，但是由于現(xiàn)在的電子負載的變化頻率遠遠低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，該方法逐漸的不被大家所使用。目前比較常見的測試方式就是環(huán)路測試法。環(huán)路測試法就是向反饋回路中注入一個個單一頻率的正弦波序列信號，然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應(yīng)的Gain越高，就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強。

環(huán)路測試框圖如下所示：

從上圖可以看出，環(huán)路測試實際上是將干擾信號通過反饋電路注入到誤差放大器中，而后查看誤差放大器加后級輸出環(huán)節(jié)的級聯(lián)響應(yīng)。誤差放大器的響應(yīng)實際上就是該誤差放大器的開環(huán)增益。所以環(huán)路的根本目的如下圖所示：

隨著一個個頻率信號的掃描，最終將各個頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上，就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。

最終環(huán)路特性曲線如下圖所示：

根據(jù)這張圖，我們就可以判斷電源設(shè)計是否穩(wěn)定，是否有優(yōu)化的空間。曲線的穩(wěn)定性判定標準如下：

穿越頻率：建議為開關(guān)頻率的5%到20%，過高則不穩(wěn)定，過低則響應(yīng)速度過慢。

相位裕度：要求一定要大于45°，建議45°到80°。

穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍頻。

增益裕度：建議大于10dB。

一般可從以下三個原則判定電源環(huán)路穩(wěn)定性:

(1)、在室溫和標準輸入、正常負載條件下，閉環(huán)回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應(yīng)大于45 度；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應(yīng)小于30度。

(2)、同步檢查在相位接近于0deg時,閉環(huán)回路增益裕度應(yīng)大于7dB，為了不接近不穩(wěn)定點，一般認為增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同時依據(jù)測試的波特圖對電源特性進行分析，穿越頻率按20dB/Dec閉合，頻帶寬度一般為開關(guān)頻率的1/20～1/6。

如果有環(huán)路分析儀，就好說了，低溫條件下，典型輸入典型輸出，測開環(huán)Bode圖，按照上述評判標準進行判斷就可以了。

干擾信號具體要如何注入到誤差放大器呢，誤差放大器的開環(huán)增益都非常大，都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和，輸入信號必須在-50dbm左右，大概2mv左右，這個信號幅度太小，產(chǎn)生過于困難，一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號，我們需要利用反饋來進行。

注入點如何選擇

選擇注入點，有一個比較簡單的方法，對于電壓源就是找設(shè)計電路時，用來計算電壓的那兩個電阻。設(shè)計電路時是按哪個電阻來調(diào)整輸出的，就加到哪個電阻上。對于電流源，也與電壓源大致相同，不過電流源中一般是沒有R1或者R2，只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。

以下是幾種典型電路的注入點實例。

1、非隔離電壓環(huán)路：

2、隔離電壓環(huán)路：

3、隔離電流環(huán)路：

問題是：中小企業(yè)往往沒有足夠的測試條件。在沒有測試波特圖的條件情況下，我們?nèi)绾畏治龊团袛喹h(huán)路穩(wěn)定性呢？

若沒有環(huán)路分析儀，就通過輸出動態(tài)負載響應(yīng)進行判斷，測試條件：規(guī)格書標定的最低溫度運行（如-25℃），額定輸入電壓，輸出不要額外掛電容，負載進行半載---滿載---半載切換（一般電流變化率可按照工業(yè)電源的標準0.1A/us的變化率設(shè)定），若此時輸出動態(tài)響應(yīng)能做到這個樣子，基本就能判定環(huán)路很穩(wěn)了：

如果電源環(huán)路不穩(wěn)定，會表現(xiàn)為：

動態(tài)響應(yīng)振蕩 Phase點的jitter

對于典型的PWM開關(guān)電源，如果phase點jitter太大，通常系統(tǒng)會不穩(wěn)定（就是之前提到的相位裕量不足，在動態(tài)負載情況下，時域的表現(xiàn)），對于200~500K的PWM開關(guān)電源，典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。

本質(zhì)為：開關(guān)占空比不穩(wěn)定

文章轉(zhuǎn)載來源：硬件十萬個為什么（ID：hw100k_com）