如何让开关电源更加稳定（上篇）

1.前言

开关电源（Switching Mode Power Supply），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于效率高（此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比），加之开关晶体管工作于开关状态，损耗较小，发热较低，不需要体积/重量非常大的散热器，因此体积较小、重量较轻。但开关电源工作时，由于频率较高，会对电网及周围设备造成干扰，因此，必须妥善的处理此问题。

造成开关电源 (SMPS) 不稳定的原因有很多，其中只有一个原因是控制回路的增益或相位裕度不足。在这篇文章中，将提供一些关于确定这些不稳定性的原因以及如何解决它们的技巧。

使用网络分析仪来测量环路响应并研究增益和相位裕度实际上可能是解决问题的正确途径，但在很多情况下增益和相位图根本无济于事。

在所有情况下，应该做的第一件事是仔细查看不稳定性，研究其特征并使用该信息推断可能的原因。

2.控制回路不稳定

先看看控制环路的不稳定性，因为——尽管上面说过——具有足够增益和相位裕度的控制环路是 SMPS 稳定性的必要条件，但不是充分条件。

设计的电路具有所需的增益和相位裕度，以满足设计目标并提供稳定的控制回路。波特图显示频域中的增益和相位裕度。负载瞬态响应更容易测量，并且在时域中给出了系统稳定性的良好定性指示。负载瞬态响应在某些方面是系统稳定性的更好指标，因为它表示系统的大信号响应，与波特图的小信号响应相反。图 1 显示了升压功率因数校正 (PFC) 级的典型波特图和瞬态响应。

图 1：典型环路响应：波特图 (a)；瞬态响应 (b)

SMPS 控制环路中存在多种非线性，它们可以改变环路增益和相位，足以将稳定环路变为不稳定环路：

反馈回路中光耦合器的电流传输比 (CTR) 可以在很大范围内变化，随着发光二极管 (LED) 电流从最小到最大的变化，变化高达 3 比 1，其中随着温度从室温变化到最高温度（例如 20°C 到 90°C），还有 50% 的变化。

电感器有时被故意设计为在轻负载下比在重负载（摆动扼流圈）下具有更高的电感。

功率级的增益随着它从不连续传导模式 (DCM) 转变为连续传导模式 (CCM) 而增加。

3.诊断与解决

控制环路不稳定会导致环路交叉频率（0dB 增益）处发生振荡。理想情况下，振荡是正弦的，但由于系统中的非线性，可能会出现一些失真。我们可能会看到以下内容：

它会在相当宽的输入电压和负载电流条件下持续存在。在狭窄的操作条件范围内出现的不稳定性不太可能是由控制回路引起的。

占空比变化将在振荡期间逐渐变化。

可能安装了错误的组件值，或者组件可能完全不存在。这将改变环路响应，减少或消除环路中设计的增益裕度。仔细检查反馈回路中每个电阻器、电容器和其他组件的值。

光耦合器通常在大约 10kHz 的传递函数中有一个极点；如果在设计阶段没有考虑到，这可能会导致意外的额外相移。

寻找解决方案的一种方法是减慢循环速度，采用波特图，研究结果并重新计算补偿网络，并根据需要进行迭代。不要将控制环路振荡与输入滤波器振荡混淆。（我将在本系列的后面部分讨论这个问题。）如果我们将输入滤波器电感短路或系统从 DCM 移动到 CCM 时增益增加而导致系统变得不稳定，振荡是否会持续存在？

请注意，升压 PFC 级的输出将始终具有两倍于线路频率的正弦纹波电压。这是拓扑固有的，不应与控制回路不稳定性混淆。纹波是升压 PFC 控制环路带宽通常限制在 7Hz 和 10Hz 之间的原因。

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