你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

一種開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計方案

發(fā)布時間:2012-04-01

中心議題:

  • 開關(guān)電源穩(wěn)定性指標(biāo)
  • 開關(guān)電源穩(wěn)定性分析
  • 開關(guān)電源穩(wěn)定性測試

解決方案:

  • 采用適合的環(huán)路補償
  • 采用反饋補償元器件減少更高頻率下的增益


眾所周知,任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益l,且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時,該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開關(guān)電源都有一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),從而能獲得較好的性能。在負反饋系統(tǒng)中,控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移,如果反饋的相位保持在180°以內(nèi),那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當(dāng)然,在現(xiàn)實中這種情況是不會存在的,由于各種各樣的開關(guān)延時和電抗引入了額外的相移,如果不采用適合的環(huán)路補償,這類相移同樣會導(dǎo)致開關(guān)電源的不穩(wěn)定。

1 穩(wěn)定性指標(biāo)

衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指:增益降到0dB時所對應(yīng)的相位。增益裕度是指:相位為零時所對應(yīng)的增益大小(實際是衰減)。在實際設(shè)計開關(guān)電源時,只在設(shè)計反激變換器時才考慮增益裕度,設(shè)計其它變換器時,一般不使用增益裕度。

在開關(guān)電源設(shè)計中,相位裕度有兩個相互獨立作用:一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現(xiàn)的動態(tài)過程;另一個作用是當(dāng)元器件參數(shù)發(fā)生變化時,仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來保證“小信號穩(wěn)定”。在負載階躍變化時,電源不可避免要進入“大信號穩(wěn)定”范圍。工程中我們認為在室溫和標(biāo)準輸入、正常負載條件下,環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數(shù)變化和誤差情況下,這個相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大,考慮在所有負載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。

如圖l所示為開關(guān)電源控制方框示意圖,開關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成。

(1)功率變換器部分,主要包含方波驅(qū)動功率開關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器;

(2)脈沖寬度調(diào)節(jié)部分,主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大;

(3)采樣、控制比較放大部分,主要包含輸出電壓采樣、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電耦合器)和PWM集成電路內(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設(shè)計最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性,是設(shè)計的重點和難點)。
 


圖1 開關(guān)電源控制環(huán)路示意圖


2 穩(wěn)定性分析

如圖1所示,假如在節(jié)點A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實系統(tǒng)對不斷增大的諧波有響應(yīng),則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°(此相移加上原先設(shè)定的180°相移,總相移量為360°),那么將會有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端,且相位與原相位相同,那么干擾將維持下去,系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示,通常情況下,控制放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益,使得開關(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。
 


圖2 開關(guān)電源的伯特圖(相位裕度、增益裕度)

[page]
波特圖對應(yīng)于小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時系統(tǒng)的響應(yīng);但是如果擾動很大,系統(tǒng)的響應(yīng)可能不是由反饋的線性部分決定的,而可能是由非線性部分決定的,如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當(dāng)這些因素影響系統(tǒng)響應(yīng)時,原來的系統(tǒng)就會表現(xiàn)為非線性,而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此,雖然小信號穩(wěn)定是必須滿足的,但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此,在設(shè)計電源環(huán)路補償時,不但要考慮信號電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性,還要處理好電源系統(tǒng)的大信號響應(yīng)特性。電源系統(tǒng)對大信號響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過負載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來判斷,負載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強的連帶關(guān)系,負載躍變響應(yīng)特性好,則輸入電壓躍變響應(yīng)特性一定好。

對開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的,這是因為傳遞函數(shù)隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會隨著負載電流而改變。此外,在考慮大信號瞬態(tài)的情況下,控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式,此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來判斷開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性測試

測試條件:

(1)無感電阻;

(2)負載變化幅度為10%~100%;

(3)負載開關(guān)頻率可調(diào)(在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下,開關(guān)頻率越高越好);

(4)限定負載開關(guān)電流變化率為5A/μs或者2A/μs,沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖形無任何意義。

圖3(a)為瞬變負載波形。

圖3(b)為阻尼響應(yīng),控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應(yīng)電源的增益裕度和相位裕度都很小,且只能在某些特定條件下才能穩(wěn)定。因此,要盡量避免這種類型的響應(yīng),補償網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該調(diào)整在稍低的頻率下滑離。

圖3(c)為過阻尼響應(yīng),雖然比較穩(wěn)定,但是瞬態(tài)恢復(fù)性能并非最好?;x頻率應(yīng)該增大。

圖3(d)為理想響應(yīng)波形,接近最優(yōu)情況,在絕大多數(shù)應(yīng)用中,瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良,增益裕度和相位裕度充足。
 


圖3 開關(guān)電源瞬態(tài)負載條件下的幾種類型


對于正向和負向尖峰,對稱的波形是同樣需要的,因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內(nèi)有中心線,且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動速率是相同的。

上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個穩(wěn)定性判據(jù),就是通過波特圖判定小信號下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉