开关电源稳定性和控制环路补偿研究

金 花

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164）

稳定性属于动特性范畴，研究系统的稳定性实际上是研究系统的过渡过程。

稳定环路系统的第一准则是：在开环总增益为1的穿越频率处，系统的总开环相移必须小于360°。在开关电源中，环路中可能存在低电平的噪声电压或暂态电压，它们的正弦傅里叶分量的频谱很宽，这些分量经过滤波器.误差放大器.以及P WM调制器后的增益和相移不一样，导致开关电源的不稳定。如果反馈的相位保持在180°，那么控制环路总是稳定的，但是现实中这样的情况不存在，由于各种延时和电抗额外的相移，这类相移会导致开关电源的不稳定。

1 开关电源不稳定的原因分析

几乎所有的开关电源都有一个闭环负反馈控制系统，从而能获得较好的性能，在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意引入了180°相移，所以，当任何干扰产生在反馈环路中，通常会产生反相位的反馈，从而消除这些干扰带来的不良变化。

开关电源系统由变换部分（其传递函数主要与变换器的拓扑结构和输出滤波器有关）、脉冲宽度调制器（为外部控制放大器提供了最大部分的增益）以及控制比较放大器（参考电压和环路补偿网络）三部分组成。如在输出端处引入干扰方波，此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量，如果检测到真实系统对不断增大的谐波有影响，则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于1且总的额外相移为180°（此相移加上原先设定的180°相移，总位移量为360°），那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，相位和原相位相同，那么扰动将会继续坚持下去，在此频率下震动，但是，通常情况下放大器会采用反馈补偿原件减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下保持稳定。

2 控制环路稳定性分析方法

时域分析：①跳载，瞬时加减载观察暂态响应；②注入方波信号观察输出波形试误。

频域分析：①仿真（根据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析），用计算机模拟出伯德图观察增益和相位；②频响分析，扫描信号方式，真实测量环路的增益和相位裕量。采用这种方法，电路的传递函数即可使用增益相位测量仪器来求得，脉冲宽度调制器和功率变换器电路的伯德图可以绘制，采用差分技术确定补偿控制放大器所必须的特性。

3 稳定性测试方法

开关电源环路稳定性判据的理论分析是很复杂的，这是因为传递函数随着负载条件的改变而改变，各种不同绕线功率原件的有效电感值通常会随负载电流而变化显著。此外，在大信号瞬态的情况下，控制电路工作方式转变为非线性工作方式，此时仅用线性分析无法得到完整的状况描述。

典型的瞬态电流和电压波形有三种情况，第一种为欠阻尼响应，控制环在瞬变边缘之后带有震荡，那么拥有这种响应的电源增益裕度和相位裕度都很小，只能在某些特定条件下才能稳定，因此要尽量避免这种类型的响应，补偿网络也应该调整在稍低的频率下滑离。第二种为过阻尼响应，虽然比较稳定，但是瞬态恢复性能并非最好，滑离频率也应该增大。第三种接近于最优情况，在绝大多数应用中，瞬态响应稳定，性能优良，增益裕度和相位裕度充足，但是只在一定条件才能稳定的系统其瞬态性能相当好。

一旦在满负载下补偿元件被优化确定，负载和输入电压应该减小，从而获得整个工作区间的规范条件。对一些单元进行检查给出工作特性的变动范围，最后，要检查环路，采用增益和相位测量方法（伯德图）来获得增益裕度和相位裕度从而确保整个系统不是条件稳定的。

完整的伯德图是一种很好地体现出整个电源系统动态响应性能的方法，伯德图可以将部分或全部开环哄闭环系统的增益和相位角以图表的方式表示出来，是建立在十被频程上的。大部分的稳定电源都有很大的直流增益，从而有一个明确的输出电压，这种高增益使我们很难对开环系统进行测量。开环系统中，直流或交流输入电压上的一个很小的变动都会使输出突增至满输出，工作方式变成非线性，所要求的直流工作点也不能保持，因此，一般都采用测量闭环系统的伯德图。

测量闭环伯德图的增益和相位时采用的一个常用方法图1所示：

图1 测量闭环伯德图

第一部分包括变换器和脉宽调制器，第二部分是电源内的补偿控制放大器，测量设备包括变压器T 1，电压表V 1，V 2，振荡器V 3,.他被接在外部输出端（+O U T）和传感器（+S）之间，变压器T 1有较低的输出阻抗和较宽的带宽。也提供了一条直流环路使控制环不因直流条件改变而断开。

振荡器通过变压器引入一个很小的串联型电压至环路。流入控制放大器的有效交流电压由电压表V 1测量，输出端的交流电压则由电压表V 2测量 （电容器C 1和C 2起隔直流电流的作用）。V 2/V 1（以分贝形式）为系统的电压增益。相位差就是整个环路的相移（在考虑到固定的180°负反馈反相位之后）。输入信号电平必须足够小，以使全部控制环路都在其正常的线性范围内工作。

测量好脉宽调制器和功率变换器部分的传递特性，就可以确定补偿控制放大器的参数了。首先找出开环曲线中极点过多处对应的频率，在对应的频率引入零点，然后再找出零点对应的频率，在对应的频率周围引入极点。

对于电压型控制系统正确的做法是减少脉宽调制器和功率变换部分的增益，让他远小于单位增益，或也可以使用大于单位增益的反相放大器连接到普通的放大器的反相输入端。对于电流型控制系统中存在分谐波不稳定的问题，最常用的就是斜率补偿，在这个补偿的方法中，讲恒定幅值的时变电压和电流的模拟电压相加，使加到脉宽调制器的波形的斜率至少加倍，这样可以消除分谐波不稳定。