如何讓開關電源更加穩定（上篇）

1.前言

開關電源（Switching Mode Power Supply），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。

與傳統的線性電源相比，開關電源的優勢在于效率高（此處的效率可以簡單的看作輸入功率與輸出功率之比），加之開關晶體管工作于開關狀態，損耗較小，發熱較低，不需要體積/重量非常大的散熱器，因此體積較小、重量較輕。但開關電源工作時，由于頻率較高，會對電網及周圍設備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。

造成開關電源 (SMPS) 不穩定的原因有很多，其中只有一個原因是控制回路的增益或相位裕度不足。在這篇文章中，將提供一些關于確定這些不穩定性的原因以及如何解決它們的技巧。

使用網絡分析儀來測量環路響應并研究增益和相位裕度實際上可能是解決問題的正確途徑，但在很多情況下增益和相位圖根本無濟于事。

在所有情況下，應該做的第一件事是仔細查看不穩定性，研究其特征并使用該信息推斷可能的原因。

2.控制回路不穩定

先看看控制環路的不穩定性，因為——盡管上面說過——具有足夠增益和相位裕度的控制環路是 SMPS 穩定性的必要條件，但不是充分條件。

設計的電路具有所需的增益和相位裕度，以滿足設計目標并提供穩定的控制回路。波特圖顯示頻域中的增益和相位裕度。負載瞬態響應更容易測量，并且在時域中給出了系統穩定性的良好定性指示。負載瞬態響應在某些方面是系統穩定性的更好指標，因為它表示系統的大信號響應，與波特圖的小信號響應相反。圖 1 顯示了升壓功率因數校正 (PFC) 級的典型波特圖和瞬態響應。

圖 1：典型環路響應：波特圖 (a)；瞬態響應 (b)

SMPS 控制環路中存在多種非線性，它們可以改變環路增益和相位，足以將穩定環路變為不穩定環路：

反饋回路中光耦合器的電流傳輸比 (CTR) 可以在很大范圍內變化，隨著發光二極管 (LED) 電流從最小到最大的變化，變化高達 3 比 1，其中隨著溫度從室溫變化到最高溫度（例如 20°C 到 90°C），還有 50% 的變化。

電感器有時被故意設計為在輕負載下比在重負載（擺動扼流圈）下具有更高的電感。

功率級的增益隨著它從不連續傳導模式 (DCM) 轉變為連續傳導模式 (CCM) 而增加。

3.診斷與解決

控制環路不穩定會導致環路交叉頻率（0dB 增益）處發生振蕩。理想情況下，振蕩是正弦的，但由于系統中的非線性，可能會出現一些失真。我們可能會看到以下內容：

它會在相當寬的輸入電壓和負載電流條件下持續存在。在狹窄的操作條件范圍內出現的不穩定性不太可能是由控制回路引起的。

占空比變化將在振蕩期間逐漸變化。

可能安裝了錯誤的組件值，或者組件可能完全不存在。這將改變環路響應，減少或消除環路中設計的增益裕度。仔細檢查反饋回路中每個電阻器、電容器和其他組件的值。

光耦合器通常在大約 10kHz 的傳遞函數中有一個極點；如果在設計階段沒有考慮到，這可能會導致意外的額外相移。

尋找解決方案的一種方法是減慢循環速度，采用波特圖，研究結果并重新計算補償網絡，并根據需要進行迭代。不要將控制環路振蕩與輸入濾波器振蕩混淆。（我將在本系列的后面部分討論這個問題。）如果我們將輸入濾波器電感短路或系統從 DCM 移動到 CCM 時增益增加而導致系統變得不穩定，振蕩是否會持續存在？

請注意，升壓 PFC 級的輸出將始終具有兩倍于線路頻率的正弦紋波電壓。這是拓撲固有的，不應與控制回路不穩定性混淆。紋波是升壓 PFC 控制環路帶寬通常限制在 7Hz 和 10Hz 之間的原因。

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