刘海波
航天长峰朝阳电源有限公司 辽宁 朝阳 122000
摘要：本文分析了稳压电源稳压反馈回路产生不稳定的原因，以及稳压反馈回路稳定的条件及反馈回路稳定的分析和设计方法
关键词：反馈回路；稳定；相位；增益；裕量
1、稳压反馈回路不稳定的原因
如图1所示为单端正激开关电源的稳压反馈回路，假设电源的输入、输出条件均不变，且稳压反馈回路为线性系统（实际上也确实如此）如果在A、B点间注入一个小幅度（一般不超过输出电压的1%）,这样就会人为的为稳压反馈回路注入了一个扰动，此扰动通过反馈回路最终表现为输出的一种波动，可以采用等幅的不同频率的正弦波连续注入，这样就可以模拟电源的不同扰动对电源输出产生的波动。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，总相移量为360°)，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反馈补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。
2、反馈回路稳定的条件
衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB（即增益为1）时所对应的相位。增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小(实际是衰减)。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。
在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。
通过测得反馈回的波特图，可得反馈回的相位裕量及增益裕量，但波特图对应于小信号扰动时系统的响应；但是如果扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分决定的，而可能是由非线性部分决定的，如运放的压摆率、增益带宽或者电路中可能达到的最小、最大占空比等。当这些因素影响系统响应时，原来的系统就会表现为非线性，而且传递函数的方法就不能继续使用了。因此，虽然小信号稳定是必须满足的，但还不足以保证电源的稳定工作。因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，还要处理好电源系统的大信号响应特性。电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性来判断，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，则输入电压跃变响应特性一定好。
3、电源稳压反馈回路稳定性设计方法
3.1分析法
根据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析(计算机仿真)。实际上进行总体分析时，要求所有的参数要精确地等于规定值是不大可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。同样，能改变系统线性工作的较大瞬态响应也是很难预料到的。
3.2试探法
首先测量好脉宽调整器和功率变换器部分的传递特性，然后用“差分技术”来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。要想使实际的放大器完全满足最优特性是不大可能的，主要的目标是实现尽可能地接近。具体步骤如下：
(1)找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入零点，那么在直到等于穿越频率的范围内相移小于315°(相位裕度至少为45°)；
(2)找到开环曲线中EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入极点(否则这些零点将使增益特性变平，且不能按照期望下降)；
(3)如果低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以提高低频下的增益。
大多数情况下，需要进行“微调”，最好的办法是采用瞬态负载测量法。
3.3经验法
采用这种方法，是控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效。其缺点是无法确定性能的最优。
4、波特图的测量方法及设备
设计完成的电源可以用下列方法测量闭环开关电源系统的波特图，以进一步了解电源和相位裕量和增益裕量。
在振荡器通过变压器T1引入一个很小的串联型电压V3至环路。流入控制放大器的有效交流电压由电压表V1测量，输出端的交流电压则由电压表V2测量(电容器C1和C2起隔直流电流的作用)。V2/V1(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。
也可采用图1所示方法，此方法需在电压采样回路中串联一个小阻值电阻，然后通过隔离型频响分析仪，在这个小电阻上施加一个不超过输出电压1%的电压，然后对地测量小电阻两端的相移与增益，即可测得电源的波特图。
5、结束语
开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题。二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。开关电源稳定性设计的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳定性、生产和调试难易度。将上述开关电源稳定性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍。
参考文献
[1]Keith billings 著 张占松 等译.开关电源手册[M].北京：人民邮电出版社 2006
[2]裴云庆 杨旭 王兆安 编著 开关稳压电源的设计和应用[M]. 北京：机械工业出版社.2010
[3]Keith billings 著 王志强等译.开关电源设计[M]. 北京：电子工业出版社.2010
作者简介：刘海波，男，1976年出生，工程师 籍贯：辽宁省朝阳县，现就职于航天长峰朝阳电源有限公司俄罗斯电源部 部长。
论文作者:刘海波
论文发表刊物:《探索科学》2016年4期
论文发表时间:2016/8/30
标签：增益论文; 相位论文; 回路论文; 电压论文; 开关电源论文; 反馈论文; 电源论文; 《探索科学》2016年4期论文;