電源采用從輸出回到誤差放大器的負(fù)反饋確保其在各種工作條件下(負(fù)載變化、溫度變化以及輸入電壓變化等)的正確穩(wěn)壓。與任何穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)一樣，電源也必須確保在工作頻率或風(fēng)險(xiǎn)振蕩和/或其它不適應(yīng)特性下閉環(huán)增益小于 1。電源負(fù)反饋條件必須與輸入完全呈異相性或者構(gòu)建小于 1 的增益，才能確保正確的工作。

典型的穩(wěn)壓器 IC 可在設(shè)備內(nèi)提供必要的相位裕度，以確保穩(wěn)定的工作。與所有工程師一樣，IC 設(shè)計(jì)人員也需要進(jìn)行工作極限假設(shè)，并經(jīng)常提供用于調(diào)整內(nèi)部相位延遲的控制機(jī)制，才能適應(yīng)各種負(fù)載極限?？稍O(shè)計(jì)一款穩(wěn)壓器來提供具有額定輸出阻抗的 90 度相位裕度。但如果該阻抗電容性比預(yù)期的要強(qiáng)，相位延遲就可能增加到與內(nèi)部反饋點(diǎn)相同的相位點(diǎn)(也是從電源輸出返回的相位點(diǎn))。這種相位反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生增益大于 1 的正反饋(振蕩器公式)。我們都很清楚這在穩(wěn)壓器電路中是不合適的。

許多穩(wěn)壓器都提供用于調(diào)整內(nèi)部相位延遲的機(jī)制，通常通過具有幾個(gè)無源組件的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。但在某些情況下，穩(wěn)壓器并不提供這種機(jī)制，必須在特定工作極限內(nèi)使用(各種負(fù)載極限下的最小/最大輸出阻抗)。無論哪種情況，都必須對(duì)電路進(jìn)行正確分析，才能確定是否有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。雖然可對(duì)環(huán)路特性進(jìn)行仿真，但卻很難實(shí)現(xiàn)對(duì) PCB 與連接器阻抗等實(shí)際系統(tǒng)級(jí)特性進(jìn)行精確建模，尤其是使用較低成本的仿真工具。因此必須進(jìn)行實(shí)際穩(wěn)定性測(cè)量，才能了解環(huán)路的實(shí)際穩(wěn)定性。

誠(chéng)然，我已經(jīng)了解了系統(tǒng)投入生產(chǎn)的許多情況，其在生產(chǎn)后期因環(huán)境變化和/或工作極限條件而變得不穩(wěn)定。在這些情況下，原型設(shè)計(jì)可能運(yùn)行良好，但電源內(nèi)的相位和增益裕度卻沒在原型測(cè)試中得到測(cè)試。如果設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹄娫吹姆€(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，就可在其造成更大生產(chǎn)成本問題之前找到并糾正該問題。

一：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(shí)所對(duì)應(yīng)的相位。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益大小(實(shí)際是衰減)。在實(shí)際設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，只在設(shè)計(jì)反激變換器時(shí)才考慮增益裕度，設(shè)計(jì)其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度。

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，相位裕度有兩個(gè)相互獨(dú)立作用：一是可以阻尼變換器在負(fù)載階躍變化時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程;另一個(gè)作用是當(dāng)元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，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(hào)穩(wěn)定”。在負(fù)載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號(hào)穩(wěn)定”范圍。工程中我們認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)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(gè)相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負(fù)載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負(fù)載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。

如圖1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(dòng)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(bǔ)償設(shè)計(jì)最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn))。

二：穩(wěn)定性分析

如圖1所示，假如在節(jié)點(diǎn)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(cè)到真實(shí)系統(tǒng)對(duì)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(huì)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(huì)采用反饋補(bǔ)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。

波特圖對(duì)應(yīng)于小信號(hào)(理論上的小信號(hào)是無限小的)擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng);但是如果擾動(dòng)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(yùn)放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達(dá)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(shí)，原來的系統(tǒng)就會(huì)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(hào)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(jì)電源環(huán)路補(bǔ)償時(shí)，不但要考慮信號(hào)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(hào)響應(yīng)特性。電源系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來判斷，負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強(qiáng)的連帶關(guān)系，負(fù)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(duì)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?yàn)閭鬟f函數(shù)隨著負(fù)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(huì)隨著負(fù)載電流而改變。此外，在考慮大信號(hào)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(shí)僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細(xì)介紹通過對(duì)負(fù)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。

三：穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試條件：

(1)無感電阻;

(2)負(fù)載變化幅度為10%~100%;

(3)負(fù)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(fù)載開關(guān)電流變化率為5A/μs或者2A/μs，沒有聲明負(fù)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(fù)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(bǔ)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。

對(duì)于正向和負(fù)向尖峰，對(duì)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(fù)載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。

上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。下面介紹四種控制環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。

四：穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法

4.1 分析法

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數(shù)學(xué)及電路模型進(jìn)行分析(計(jì)算機(jī)仿真)。實(shí)際上進(jìn)行總體分析時(shí)，要求所有的參數(shù)要精確地等于規(guī)定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個(gè)電流變化范圍內(nèi)，電感值不可能保持常數(shù)。同樣，能改變系統(tǒng)線性工作的較大瞬態(tài)響應(yīng)也是很難預(yù)料到的

4.2 試探法

首先測(cè)量好脈寬調(diào)整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術(shù)”來確定補(bǔ)償控制放大器所必須具有的特性。

要想使實(shí)際的放大器完全滿足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能地接近。具體步驟如下：

(1)找到開環(huán)曲線中極點(diǎn)過零處所對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入零點(diǎn)，那么在直到等于穿越頻率的范圍內(nèi)相移小于315°(相位裕度至少為45°);

(2)找到開環(huán)曲線中EsR零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入極點(diǎn)(否則這些零點(diǎn)將使增益特性變平，且不能按照期望下降);

(3)如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正那么可以引入一對(duì)零極點(diǎn)以提高低頻下的增益。

大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行“微調(diào)”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負(fù)載測(cè)量法。

4. 3 經(jīng)驗(yàn)法

采用這種方法，是控制環(huán)路采用具有低頻主導(dǎo)極點(diǎn)的過補(bǔ)償控制放大器組成閉環(huán)來獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時(shí)脈沖負(fù)載方法來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這種方法快而有效。其缺點(diǎn)是無法確定性能的最優(yōu)。

4.4 計(jì)算和測(cè)量結(jié)合方法

綜合以上三點(diǎn)，主要取決于設(shè)計(jì)人員的技能和經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于用上述方法設(shè)計(jì)完成的電源可以用下列方法測(cè)量閉環(huán)開關(guān)電源系統(tǒng)的波特圖，測(cè)量步驟如下。

如圖4所示為測(cè)量閉環(huán)電源系統(tǒng)波特圖的增益和相位時(shí)采用的一個(gè)常用方法，此方法的特點(diǎn)是無需改動(dòng)原線路。

如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個(gè)很小的串聯(lián)型電壓V3至環(huán)路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V1測(cè)量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測(cè)量(電容器C1和C2起隔直流電流的作用)。V2/V1(以分貝形式)為系統(tǒng)的電壓增益。相位差就是整個(gè)環(huán)路的相移(在考慮到固定的180°負(fù)反饋反相位之后)。

輸入信號(hào)電平必須足夠小，以使全部控制環(huán)路都在其正常的線性范圍內(nèi)工作。

4.5 測(cè)量設(shè)備

波特圖的測(cè)量設(shè)備如下：

(1)一個(gè)可調(diào)頻率的振蕩器V3，頻率范圍從10Hz(或更低)到50kHz(或更高);

(2)兩個(gè)窄帶且可選擇顯示峰值或有效值的電壓表V1和V2，其適用頻率與振蕩器頻率范圍相同;

(3)專業(yè)的增益及相位測(cè)量?jī)x表。

測(cè)試點(diǎn)的選擇：理論上講，可以在環(huán)路的任意點(diǎn)上進(jìn)行伯特圖測(cè)量，但是，為了獲得好的測(cè)量度，信號(hào)注入節(jié)點(diǎn)的選擇時(shí)必須兼顧兩點(diǎn)：電源阻抗較低且下一級(jí)的輸入阻抗較高。而且，必須有一個(gè)單一的信號(hào)通道。實(shí)踐中，一般可把測(cè)量變壓器接入到圖4或圖5控制環(huán)路中接入測(cè)量變壓器的位置。

圖4中T1的位置滿足了上述的標(biāo)準(zhǔn)。電源阻抗(在信號(hào)注入的方向上)是電源部分的低輸出阻抗，而下一級(jí)的輸入阻抗是控制放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號(hào)注入的第二個(gè)位置也同樣滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，它位于圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調(diào)制器之間。

五：最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)DC/DC電源線路的設(shè)計(jì)，就隔離方式來講都可歸結(jié)為兩種最基本的形式：前置啟動(dòng)+前置PWM控制和后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖6和圖7所示。

國(guó)內(nèi)外DC/DC電源設(shè)計(jì)大多采用前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式，后級(jí)以開關(guān)形式將采樣比較的誤差信號(hào)通過光電耦合器件隔離傳輸?shù)角凹?jí)PWM電路進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體DC/DC電源穩(wěn)壓控制。如圖6所示，前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→輸出穩(wěn)壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產(chǎn)品都屬于此種控制方式。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：

(1)以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì);

(2)以前置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì);

(3)輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓/電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考;

(4)其它部分如功率管驅(qū)動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

而如圖7所示，后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→隔離驅(qū)動(dòng)→輸出穩(wěn)壓。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：

(1)以后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì);

(2)輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓/電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考。

(3)其它部分如隔離啟動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

一、為什么要測(cè)試電源穩(wěn)定性?

電源是電腦的核心組件之一，它為其他硬件提供穩(wěn)定的電壓和電流。如果電源不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致電腦無法正常運(yùn)行，甚至?xí)p壞其他硬件。因此，測(cè)試電源穩(wěn)定性是非常重要的。

二、如何測(cè)試電源穩(wěn)定性?

1.使用電壓表測(cè)試

使用電壓表測(cè)試電源的輸出電壓和電流，可以了解電源的穩(wěn)定性。測(cè)試時(shí)，應(yīng)該選擇穩(wěn)定的電壓和電流，避免因負(fù)載變化而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.使用負(fù)載測(cè)試工具

負(fù)載測(cè)試工具可以模擬電腦的負(fù)載，測(cè)試電源的穩(wěn)定性。測(cè)試時(shí)，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載，避免因負(fù)載過大而導(dǎo)致電源過載。

3.使用軟件測(cè)試

一些軟件可以測(cè)試電腦的電源穩(wěn)定性，如AIDA64、OCCT等。測(cè)試時(shí)應(yīng)該選擇合適的測(cè)試選項(xiàng)，避免因測(cè)試負(fù)載過大而導(dǎo)致電源過載。

三、注意事項(xiàng)

1.測(cè)試時(shí)應(yīng)該選擇穩(wěn)定的環(huán)境，避免溫度過高或過低影響測(cè)試結(jié)果。

2.測(cè)試時(shí)應(yīng)該選擇合適的負(fù)載，避免負(fù)載過大導(dǎo)致電源過載。

3.測(cè)試時(shí)應(yīng)該選擇合適的測(cè)試工具，避免測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。

4.測(cè)試時(shí)應(yīng)該注意安全，避免電源過載導(dǎo)致電腦損壞。

總之，電源測(cè)試穩(wěn)定性是電腦硬件測(cè)試中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，本文介紹了如何準(zhǔn)確測(cè)試電源穩(wěn)定性，以及常見的測(cè)試方法和注意事項(xiàng)。希望本文對(duì)您有所幫助。