怎么讓開關電源更加穩定（下篇）

1.前言

在本系列的第一部分中，有聊過開關電源 (SMPS) 不穩定的原因有很多，其中只有一個是控制環路的增益或相位裕度不足。在篇文章中，將提供一些有關識別和解決峰值電流模式 (PCM) 控制的 SMPS 系統中的次諧波振蕩的技巧，并簡要討論輸入濾波器振蕩。 

2.次諧波振蕩

當連續導通模式 (CCM) PCM 控制環路以大于 50% 的占空比運行時，存在眾所周知的固有不穩定性，如圖 1 所示。 不連續導通模式 (DCM)、過渡模式 (TM)、平均值電流模式 (ACM) 和電壓模式控制 (VMC) 系統不易受此類不穩定性的影響。但要小心——因為 DCM、TM、ACM 和 VMC 系統在電流限制下運行時通常使用 PCM 控制。

圖 1：次諧波振蕩

3準諧振電路

將準諧振拓撲應用于開關電源中，以減少或消除頻率相關開關損耗，從而提高效率，降低器件的工作溫度。這種技術的缺點是在低功耗下產生更高的損耗，這一缺點被幾乎所有現代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準諧振變換器通常包含L-C網絡，其電壓和電流在開關期間呈正弦變化。現在考慮經典的buck轉換器方案，如圖2所示。為了方便起見，包含MOSFET晶體管的開關電路已用“開關網絡”塊表示。

圖2：一個典型的buck轉換器的示意圖

在圖3中，可以觀察到“交換網絡”塊的兩種不同配置。第一種對應于由PWM信號控制的傳統開關網絡。另一方面，另一方面，由于L-C網絡的引入，電路增加了準諧振功能。零電流開關是這些變換器的主要優點之一，因為它可以減少開關損耗。此外，準諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。

圖3：準諧振buck變換器

3.診斷與解決

次諧波振蕩表現為周期與周期之間占空比的大變化。它們通常會持續存在，因為平均占空比仍然大于 50%，但如果負載變化導致控制器以超過 50% 的占空比運行幾個周期，它們可能會暫時出現。還值得注意的是，如果沒有斜率補償，隨著占空比增加到 50%，電流擾動需要越來越長的時間才能消失。以下是我們可能會看到的行為的簡短列表。

當占空比小于 50% 時，問題會消失嗎？如果是這樣，解決方案是校正斜率補償量。

增加電感值，以便我們需要更慢的斜率補償斜坡。

降低環路帶寬——如果出現次諧波振蕩，超過開關頻率四分之一的環路帶寬會變得不穩定。

在某些情況下，可以更改變壓器匝數比或 SMPS 的工作范圍，使其永遠不會超過 50% 的占空比。

4.輸入濾波器振蕩

大多數電源為其輸入提供恒定的功率負載，因此具有負的增量輸入電阻。這意味著輸入電流會隨著輸入電壓的增加而減少。在離線功率因數校正 (PFC) 階段，電流控制環路強制系統在線路頻率下模擬正電阻，以便輸入電流遵循輸入電壓的正弦形狀。但是負輸入電阻行為出現在控制環路交叉之外的頻率上。

DC/DC 和離線 AC/DC 轉換器通常具有某種形式的輸入濾波器，如圖 4 所示。該濾波器是滿足傳導電磁干擾 (EMI) 要求所必需的，但如果設計不正確，它可能會在某些情況下發生振蕩。這個話題在文獻中被廣泛討論，但總結規則很簡單：濾波器的輸出阻抗在所有頻率下都必須小于轉換器的輸入阻抗。

圖 4：典型的 AC/DC 轉換器輸入濾波器，SMPS 輸入阻抗為綠色，無阻尼濾波器輸出阻抗為紅色，阻尼濾波器輸出阻抗為藍色

5.診斷與解決

識別輸入濾波器振蕩的最簡單方法是通過將輸入濾波器電感短路來移除輸入濾波器。濾波器通常會在濾波器的一種或另一種諧振下振蕩。這些共振通常在 1kHz 到 10kHz 的范圍內，具體取決于濾波器設計。治愈輸入濾波器振蕩需要修改輸入濾波器以降低其輸出阻抗，同時保持其有效性。以下是要嘗試的兩件事：

更改 L 和 C 值以降低阻抗。

添加阻尼電阻器以降低其諧振頻率處的濾波器阻抗（也稱為 Q 因子）。我們可以比較圖 4中的紅色（無阻尼）和藍色（阻尼）軌跡。

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