【技术】开关电源增益稳定性分析

时间:2022-03-13作者:佚名

随着电子,自控,航天,通讯,医疗器械等技术不断向深度和广度的发展,势必要求为期供电的电源要有更高的稳定性,即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负载响应。而这些因素都和控制环路有关,控制环路一般工作在负载状态,称之为电压负反馈。如果变换器中没有用到反馈控制环路(图1中H部分),其传递函数一般为C/R=G,其中G为输入滤波,功率变换、整流滤波部分等因数的乘积(其为级联的形式,所以本文中以总乘积因子G来表示),可以看出输出随输入的变化而成线性的变化,但是由于整流、滤波网络在整个时域的非线性,实际上这种变化应该是近似于线性,所以当输入电源改变的时候并不能很好的气到稳压的作用。如果反馈环路设计的不好,对应负载的瞬态改变,环路就不能做出及时恰当的调整,那么输出电源瞬间会偏高或者偏低,甚至有可能会造成电源系统的振荡,对下一级构成损坏。此时若能够对环路测量就显得很重要了。那么环路部分有是怎么影响整个回路的呢?

参考DELTA公司AC-DC系列产品,下图表示的反馈环路控制部分中的运放的环增益模型,其传递函数为C/R=G/(1 GH),其中G:开环增益。H:反馈系数。GH:环增益(可以通过图1推导)

一、环增益稳定的标准

由传递函数C/R=G/(1 GH),放大器的开环增益G是频率的函数,会随着频率的增加而减小,同时也和放大器的相位有关,当GH=-1,则其传递的值为∞,即增益是无穷大的,可以认为任意小的输入扰动都能引起输出的无穷大,如果这种输出无穷大的信号在反馈到功率变换环节,势必会造成最后输出的振荡,整个系统因而不在稳压。所以说可以通过分析GH的增益和相位来判断系统的稳定性。

又因为当GH=-1时是振荡的,所以有相移∠GH是180°(因为负反馈本身就有180°的相移),回路增益|GH|=1(0dB).所以要使运放稳定需要满足以下条件:

1. 相位条件就是要其相移小于180°,即要有45°以上的余量,增益条件一般要求有-12dB以上余量。

2. 穿越频率按20dB/Dec闭合。相关解释下文介绍。

二、Bode图基础

我们可以通过环增益GH的频率特性来判断系统的稳定性,而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的频率特性可以用Bode图(图2)来表示,并且系统的稳定性可以通过Bode图中的相位余量(Phase margin),增益余量(gain margin),穿越频率(crossover frequency)来衡量。其中

相位余量(Phase margin)是指:增益降到0dB时所对应的相位,以度(deg)为单位表示(图2)。

增益余量(gain margin)是指:相位为0时所对应的增益大小,以分贝(dB)为单位来表示(图2)。

穿越频率(crossover frequency)是指:增益曲线穿越0dB时的频率点(图2)。

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