怎么让开关电源更加稳定（下篇）

1.前言

在本系列的第一部分中，有聊过开关电源 (SMPS) 不稳定的原因有很多，其中只有一个是控制环路的增益或相位裕度不足。在篇文章中，将提供一些有关识别和解决峰值电流模式 (PCM) 控制的 SMPS 系统中的次谐波振荡的技巧，并简要讨论输入滤波器振荡。 

2.次谐波振荡

当连续导通模式 (CCM) PCM 控制环路以大于 50% 的占空比运行时，存在众所周知的固有不稳定性，如图 1 所示。 不连续导通模式 (DCM)、过渡模式 (TM)、平均值电流模式 (ACM) 和电压模式控制 (VMC) 系统不易受此类不稳定性的影响。但要小心——因为 DCM、TM、ACM 和 VMC 系统在电流限制下运行时通常使用 PCM 控制。

图 1：次谐波振荡

3准谐振电路

将准谐振拓扑应用于开关电源中，以减少或消除频率相关开关损耗，从而提高效率，降低器件的工作温度。这种技术的缺点是在低功耗下产生更高的损耗，这一缺点被几乎所有现代电源中存在的频率钳位电路所消除。准谐振变换器通常包含L-C网络，其电压和电流在开关期间呈正弦变化。现在考虑经典的buck转换器方案，如图2所示。为了方便起见，包含MOSFET晶体管的开关电路已用“开关网络”块表示。

图2：一个典型的buck转换器的示意图

在图3中，可以观察到“交换网络”块的两种不同配置。第一种对应于由PWM信号控制的传统开关网络。另一方面，另一方面，由于L-C网络的引入，电路增加了准谐振功能。零电流开关是这些变换器的主要优点之一，因为它可以减少开关损耗。此外，准谐振变换器能够在比类似的PWM变换器更高的频率下工作。

图3：准谐振buck变换器

3.诊断与解决

次谐波振荡表现为周期与周期之间占空比的大变化。它们通常会持续存在，因为平均占空比仍然大于 50%，但如果负载变化导致控制器以超过 50% 的占空比运行几个周期，它们可能会暂时出现。还值得注意的是，如果没有斜率补偿，随着占空比增加到 50%，电流扰动需要越来越长的时间才能消失。以下是我们可能会看到的行为的简短列表。

当占空比小于 50% 时，问题会消失吗？如果是这样，解决方案是校正斜率补偿量。

增加电感值，以便我们需要更慢的斜率补偿斜坡。

降低环路带宽——如果出现次谐波振荡，超过开关频率四分之一的环路带宽会变得不稳定。

在某些情况下，可以更改变压器匝数比或 SMPS 的工作范围，使其永远不会超过 50% 的占空比。

4.输入滤波器振荡

大多数电源为其输入提供恒定的功率负载，因此具有负的增量输入电阻。这意味着输入电流会随着输入电压的增加而减少。在离线功率因数校正 (PFC) 阶段，电流控制环路强制系统在线路频率下模拟正电阻，以便输入电流遵循输入电压的正弦形状。但是负输入电阻行为出现在控制环路交叉之外的频率上。

DC/DC 和离线 AC/DC 转换器通常具有某种形式的输入滤波器，如图 4 所示。该滤波器是满足传导电磁干扰 (EMI) 要求所必需的，但如果设计不正确，它可能会在某些情况下发生振荡。这个话题在文献中被广泛讨论，但总结规则很简单：滤波器的输出阻抗在所有频率下都必须小于转换器的输入阻抗。

图 4：典型的 AC/DC 转换器输入滤波器，SMPS 输入阻抗为绿色，无阻尼滤波器输出阻抗为红色，阻尼滤波器输出阻抗为蓝色

5.诊断与解决

识别输入滤波器振荡的最简单方法是通过将输入滤波器电感短路来移除输入滤波器。滤波器通常会在滤波器的一种或另一种谐振下振荡。这些共振通常在 1kHz 到 10kHz 的范围内，具体取决于滤波器设计。治愈输入滤波器振荡需要修改输入滤波器以降低其输出阻抗，同时保持其有效性。以下是要尝试的两件事：

更改 L 和 C 值以降低阻抗。

添加阻尼电阻器以降低其谐振频率处的滤波器阻抗（也称为 Q 因子）。我们可以比较图 4中的红色（无阻尼）和蓝色（阻尼）轨迹。

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