開關電源穩定性設計方法圖文詳解-KIA MOS管

1.分析法

根據閉環系統的理論、數學及電路模型進行分析(計算機仿真)。實際上進行總體分析時，要求所有的參數要精確地等于規定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個電流變化范圍內，電感值不可能保持常數。同樣，能改變系統線性工作的較大瞬態響應也是很難預料到的。

2.試探法

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

要想使實際的放大器完全滿足最優特性是不大可能的，主要的目標是實現盡可能地接近。

具體步驟如下：

(1)找到開環曲線中極點過零處所對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入零點，那么在直到等于穿越頻率的范圍內相移小于315°(相位裕度至少為45°)；

(2)找到開環曲線中EsR零點對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入極點(否則這些零點將使增益特性變平，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零極點以提高低頻下的增益。

大多數情況下，需要進行“微調”，最好的辦法是采用瞬態負載測量法。

3.經驗法

采用這種方法，是控制環路采用具有低頻主導極點的過補償控制放大器組成閉環來獲得初始穩定性。然后采用瞬時脈沖負載方法來補償網絡進行動態優化，這種方法快而有效。其缺點是無法確定性能的最優。

4.計算和測量結合方法

綜合以上三點，主要取決于設計人員的技能和經驗。

對于用上述方法設計完成的電源可以用下列方法測量閉環開關電源系統的波特圖，測量步驟如下。

如圖4所示為測量閉環電源系統波特圖的增益和相位時采用的一個常用方法，此方法的特點是無需改動原線路。

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

輸入信號電平必須足夠小，以使全部控制環路都在其正常的線性范圍內工作。

5.測量設備

波特圖的測量設備如下：

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

(2)兩個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)專業的增益及相位測量儀表。

測試點的選擇：理論上講，可以在環路的任意點上進行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號注入節點的選擇時必須兼顧兩點：電源阻抗較低且下一級的輸入阻抗較高。而且，必須有一個單一的信號通道。實踐中，一般可把測量變壓器接入到圖4或圖5控制環路中接入測量變壓器的位置。

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

最佳拓撲結構

無論是國外還是國內DC／DC電源線路的設計，就隔離方式來講都可歸結為兩種最基本的形式：前置啟動+前置PWM控制和后置隔離啟動+后置PWM控制。具體結構框圖如圖6和圖7所示。

國內外DC／DC電源設計大多采用前置啟動+前置PWM控制方式，后級以開關形式將采樣比較的誤差信號通過光電耦合器件隔離傳輸到前級PWM電路進行脈沖寬度的調節，進而實現整體DC／DC電源穩壓控制。

如圖6所示，前置啟動+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調寬→輸出穩壓。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

(1)以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環路補償設計；

(2)以前置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計；

(3)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考；

(4)其它部分如功率管驅動、主功率變壓器等，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

而如圖7所示，后置隔離啟動+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調寬→隔離驅動→輸出穩壓。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

(1)以后置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計；

(2)輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考。

(3)其它部分如隔離啟動、主功率變壓器等，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

比較圖6和圖7控制方式和環路穩定性補償設計可知，圖7后置隔離啟動+后置PWM控制方式的優點如下：

(1)減少了后級采樣、比較、放大和光電耦合，控制環路簡捷；

(2)只需對后置PWM集成電路內部電壓比較器進行環路補償設計，控制環路的響應頻率較寬；

(3)相位裕度大；

(4)負載瞬態特性好；

(5)輸入瞬態特性好；

(6)抗輻照能力強。實驗證明光電耦合器件即使進行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會大于2x104Rad(Si)，不適合航天電源高可靠、長壽命的應用要求。

開關電源設計重點有兩點：一是磁路設計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩定性設計，重點解決的是輸出電壓的品質問題。開關電源穩定性設計的好壞直接決定著開關電源啟動特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩定性、生產和調試難易度。

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