如何讓開關(guān)電源更加穩(wěn)定（上篇）

1.前言

開關(guān)電源（Switching Mode Power Supply），又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。

與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在于效率高（此處的效率可以簡(jiǎn)單的看作輸入功率與輸出功率之比），加之開關(guān)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗較小，發(fā)熱較低，不需要體積/重量非常大的散熱器，因此體積較小、重量較輕。但開關(guān)電源工作時(shí)，由于頻率較高，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及周圍設(shè)備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。

造成開關(guān)電源 (SMPS) 不穩(wěn)定的原因有很多，其中只有一個(gè)原因是控制回路的增益或相位裕度不足。在這篇文章中，將提供一些關(guān)于確定這些不穩(wěn)定性的原因以及如何解決它們的技巧。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)量環(huán)路響應(yīng)并研究增益和相位裕度實(shí)際上可能是解決問題的正確途徑，但在很多情況下增益和相位圖根本無濟(jì)于事。

在所有情況下，應(yīng)該做的第一件事是仔細(xì)查看不穩(wěn)定性，研究其特征并使用該信息推斷可能的原因。

2.控制回路不穩(wěn)定

先看看控制環(huán)路的不穩(wěn)定性，因?yàn)?mdash;—盡管上面說過——具有足夠增益和相位裕度的控制環(huán)路是 SMPS 穩(wěn)定性的必要條件，但不是充分條件。

設(shè)計(jì)的電路具有所需的增益和相位裕度，以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)并提供穩(wěn)定的控制回路。波特圖顯示頻域中的增益和相位裕度。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更容易測(cè)量，并且在時(shí)域中給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的良好定性指示。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)在某些方面是系統(tǒng)穩(wěn)定性的更好指標(biāo)，因?yàn)樗硎鞠到y(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng)，與波特圖的小信號(hào)響應(yīng)相反。圖 1 顯示了升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)的典型波特圖和瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 1：典型環(huán)路響應(yīng)：波特圖 (a)；瞬態(tài)響應(yīng) (b)

SMPS 控制環(huán)路中存在多種非線性，它們可以改變環(huán)路增益和相位，足以將穩(wěn)定環(huán)路變?yōu)椴环€(wěn)定環(huán)路：

反饋回路中光耦合器的電流傳輸比 (CTR) 可以在很大范圍內(nèi)變化，隨著發(fā)光二極管 (LED) 電流從最小到最大的變化，變化高達(dá) 3 比 1，其中隨著溫度從室溫變化到最高溫度（例如 20°C 到 90°C），還有 50% 的變化。

電感器有時(shí)被故意設(shè)計(jì)為在輕負(fù)載下比在重負(fù)載（擺動(dòng)扼流圈）下具有更高的電感。

功率級(jí)的增益隨著它從不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 而增加。

3.診斷與解決

控制環(huán)路不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致環(huán)路交叉頻率（0dB 增益）處發(fā)生振蕩。理想情況下，振蕩是正弦的，但由于系統(tǒng)中的非線性，可能會(huì)出現(xiàn)一些失真。我們可能會(huì)看到以下內(nèi)容：

它會(huì)在相當(dāng)寬的輸入電壓和負(fù)載電流條件下持續(xù)存在。在狹窄的操作條件范圍內(nèi)出現(xiàn)的不穩(wěn)定性不太可能是由控制回路引起的。

占空比變化將在振蕩期間逐漸變化。

可能安裝了錯(cuò)誤的組件值，或者組件可能完全不存在。這將改變環(huán)路響應(yīng)，減少或消除環(huán)路中設(shè)計(jì)的增益裕度。仔細(xì)檢查反饋回路中每個(gè)電阻器、電容器和其他組件的值。

光耦合器通常在大約 10kHz 的傳遞函數(shù)中有一個(gè)極點(diǎn)；如果在設(shè)計(jì)階段沒有考慮到，這可能會(huì)導(dǎo)致意外的額外相移。

尋找解決方案的一種方法是減慢循環(huán)速度，采用波特圖，研究結(jié)果并重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)需要進(jìn)行迭代。不要將控制環(huán)路振蕩與輸入濾波器振蕩混淆。（我將在本系列的后面部分討論這個(gè)問題。）如果我們將輸入濾波器電感短路或系統(tǒng)從 DCM 移動(dòng)到 CCM 時(shí)增益增加而導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，振蕩是否會(huì)持續(xù)存在？

請(qǐng)注意，升壓 PFC 級(jí)的輸出將始終具有兩倍于線路頻率的正弦紋波電壓。這是拓?fù)涔逃械模粦?yīng)與控制回路不穩(wěn)定性混淆。紋波是升壓 PFC 控制環(huán)路帶寬通常限制在 7Hz 和 10Hz 之間的原因。

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