開關電源環路補償圖文分析-KIA MOS管

開關電源是一種典型的反饋控制系統，其有響應速度和穩定性兩個重要的指標。響應速度就是當負載變化或者輸入電壓變化時，電源能迅速做出調整的速度。

因為開關電源的負載多數情況下都是數字IC，其電流會隨著邏輯功能的變化而變化，比如FPGA在進行配置時，電流會增大一倍以上。而開關電源的輸入電壓也會有一定程度的波動。

為了保證電源穩定輸出，不產生跌落或者過沖，就要求電源必須迅速做出調整，使得最終輸出的電壓沒有變化。而電源的響應速度就決定了電源的調整速度。

由于電源加入了反饋系統，就可能發生震蕩。如果電源系統的參數沒有設置好，就會產生震蕩，結果就是電壓上會被疊加一個固定頻率的波動。導致電源不穩定。

開關電源如下圖所示：

開關電源環路

從開關電源的框圖中可以看出，該系統是通過一個反饋電路，將最終輸出的變化反饋給比例電路，經過比例電路的等比例衰減，輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過比較該信號和內部參考信號的差異，來驅動后級脈寬調制器等一系列的輸出環節，最終與干擾信號相互抵消，從而保證電源的穩定。

那應該如何測量出電源的響應速度和穩定性呢，在早期的調試中，大家會使用一個可變的電子負載來進行測試，但是由于現在的電子負載的變化頻率遠遠低于開關電源的開關頻率，該方法逐漸的不被大家所使用。

目前比較常見的測試方式就是環路測試法。環路測試法就是向反饋回路中注入一個個單一頻率的正弦波序列信號，然后根據電源系統的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調整能力。其環路響應的Gain越高，就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強。

環路測試實際上是將干擾信號通過反饋電路注入到誤差放大器中，而后查看誤差放大器加后級輸出環節的級聯響應。誤差放大器的響應實際上就是該誤差放大器的開環增益。

所以環路的根本目的如下圖所示：

開關電源環路

隨著一個個頻率信號的掃描，最終將各個頻道的環路增益繪制在一張圖上，就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。

最終環路特性曲線如下圖所示：

開關電源環路

根據這張圖，我們就可以判斷電源設計是否穩定，是否有優化的空間。

曲線的穩定性判定標準如下：

穿越頻率：建議為開關頻率的5%到20%，過高則不穩定，過低則響應速度過慢。

相位裕度：要求一定要大于45°，建議45°到80°。

穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍頻。

增益裕度：建議大于10dB。

一般可從以下三個原則判定電源環路穩定性:

(1)、在室溫和標準輸入、正常負載條件下，閉環回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應大于45 度；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應小于30度。

(2)、同步檢查在相位接近于0deg時,閉環回路增益裕度應大于7dB，為了不接近不穩定點，一般認為增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同時依據測試的波特圖對電源特性進行分析，穿越頻率按20dB/Dec閉合，頻帶寬度一般為開關頻率的1/20～1/6。

如果有環路分析儀，就好說了，低溫條件下，典型輸入典型輸出，測開環Bode圖，按照上述評判標準進行判斷就可以了。

開關電源環路

干擾信號具體要如何注入到誤差放大器呢，誤差放大器的開環增益都非常大，都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和，輸入信號必須在-50dbm左右，大概2mv左右，這個信號幅度太小，產生過于困難，一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號，我們需要利用反饋來進行。

注入點如何選擇

選擇注入點，有一個比較簡單的方法，對于電壓源就是找設計電路時，用來計算電壓的那兩個電阻。設計電路時是按哪個電阻來調整輸出的，就加到哪個電阻上。對于電流源，也與電壓源大致相同，不過電流源中一般是沒有R1或者R2，只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。

在沒有測試波特圖的條件情況下，我們如何分析和判斷環路穩定性呢？

若沒有環路分析儀，就通過輸出動態負載響應進行判斷，測試條件：規格書標定的最低溫度運行（如-25℃），額定輸入電壓，輸出不要額外掛電容，負載進行半載—滿載—半載切換（一般電流變化率可按照工業電源的標準0.1A/us的變化率設定），若此時輸出動態響應能做到這個樣子，基本就能判定環路很穩了：

開關電源環路