一种开关电源稳定性设计方案

众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。

1 稳定性指标

衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小(实际是衰减)。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。

在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程;另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。

如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。

(1)功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器;

(2)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大;

(3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路内部集成的电压比较器(这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。

图1 开关电源控制环路示意图

2 稳定性分析

如图1所示，假如在节点A处引入干扰波。此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量。如果检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于l且总的额外相移为180°(此相移加上原先设定的180°相移，总相移量为360°)，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反馈补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。

图2 开关电源的伯特图（相位裕度、增益裕度）