電源適配器的穩(wěn)定性和控制環(huán)路補償

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電源適配器的穩(wěn)定性和控制環(huán)路補償

任何閉環(huán)控制系統(tǒng)在環(huán)路增益為單位增益1，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會存在不穩(wěn)定的可能性。在電源適配器中，電源級上采用了一個低通濾波器，以消除噪聲和輸出平滑的直流電流，但同時不可避免地會出現(xiàn)相移，這將會減少相位裕度并且導(dǎo)致電源適配器的不穩(wěn)定。
幾乎所有的電源適配器都有一個閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，從面能獲得較好的性能。在負反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移。所以當(dāng)任何干擾產(chǎn)生在反饋環(huán)路中時，通常會產(chǎn)生反相位的反饋，從面消除了這些干擾帶來的不良變化。
如果反饋的相位保持在180°，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的，直流電源適配器設(shè)計工程師的工作將會輕松很多。當(dāng)然在現(xiàn)實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關(guān)延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用合適的環(huán)路補償，這類相移同樣會導(dǎo)致電源適配器的不穩(wěn)定。

直流電源適配器不穩(wěn)定的一些原因

考慮圖，這是典型的閉環(huán)負反饋電源適配器，主要元件可分為三個部分。
第一部分為功率變換器部分，其傳遞函數(shù)主要與變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和輸出濾波器有關(guān)。
第二部分是脈沖寬度調(diào)制器，為外部控制放大器提供了最大部分的增益。
第三部分是控制比較放大器，參考電壓和環(huán)路補償網(wǎng)絡(luò)。
電源適配器的穩(wěn)定性和控制環(huán)路補償

假設(shè)在A點處引入干擾方波。此方波所包含的能量分解成無限列奇次諧波分量。如果

檢測到真實系統(tǒng)對不斷增大的諧波有響應(yīng)，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于1且總的額外相移為180°（此相移加上原先設(shè)定的180°相移，總位移量為360°），那么將會有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么擾動將會繼續(xù)維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振動。
但是通常情況下，控制放大器都會采用反饋補償元件Z1和Z2減少更高頻率下的增益，使得電源適配器在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

數(shù)碼相機電源適配器控制環(huán)路穩(wěn)定的方法
很多不同但是同樣有效的方法可以用來穩(wěn)定控制環(huán)路。

穩(wěn)定方法一：分析法
如果設(shè)計工程師對閉環(huán)系統(tǒng)的理論和數(shù)學(xué)分析得相當(dāng)透徹，那么要設(shè)計出最優(yōu)性能電源應(yīng)采用的最合適的方法就是數(shù)學(xué)和電路分析方法。但是事實上假設(shè)電路和元件的參數(shù)都已知，并且工作在線性方式下。實際上進行總體分析時，要求所有的參數(shù)要精確地等于規(guī)定值是不太可能的，尤其是電感值，在整個電流變化范圍內(nèi)電感值不可能保持常數(shù)。同樣，能改變系統(tǒng)線性工作方式的較大瞬態(tài)效應(yīng)也是很難預(yù)料到的。因此需要進行一些“微調(diào)”，方法如下面介紹。

環(huán)路穩(wěn)定方法二：試探法
采用這種方法，電路（即控制放大器的外部電路）的傳遞函數(shù)即可使用增益和相位測量儀器來求得。脈沖寬度調(diào)制器和功率變換器電路的伯德圖可以繪制出來，然后可用“差分技術(shù)”來確定補償控制放大器所必須具有的特性。
高增益系統(tǒng)中，在某些情況下對開環(huán)進行測量比較困難。在這種情況下，可以采用有低頻主導(dǎo)極點的過補償控制放大器來組成閉環(huán)以保持環(huán)路的穩(wěn)定性。通過測量脈沖寬度調(diào)制器輸入端和節(jié)電B處的電壓，并且將它們同A點處的輸出電壓和相位相比較，可以得到一個更接近于最優(yōu)的補償網(wǎng)路，那么最優(yōu)補償網(wǎng)絡(luò)可通過“鏡像”方法求出。

環(huán)路穩(wěn)定方法三：經(jīng)驗方法
在這種方法中，控制環(huán)路采用具有低頻主導(dǎo)極點的過補償控制放大器組成閉環(huán)來獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時脈沖負載方法來對補償網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)優(yōu)化。這種方法速度快且有效，但是必須要知道，補償網(wǎng)絡(luò)適用的一般模式應(yīng)能匹配變換器的拓撲結(jié)構(gòu)（見圖）。這一方法的一個優(yōu)點是大信號情況時能動態(tài)地觀察到。由于這個原因，不管采用了什么方法來確定補償網(wǎng)絡(luò)，都應(yīng)將瞬態(tài)負載測試作為最終的驗證測試。
經(jīng)驗方法的主要缺點是不知道如何確定所得到的性能是否為最優(yōu)性能。但是，如果性能在所要求的規(guī)格范圍以內(nèi)，那么它是否總是最優(yōu)的性能就可能不是那么重要了。要對一些單元進行檢查并保證有良好的拓展空間，這種測試方法不一定能求出那些條件穩(wěn)定的環(huán)路。

環(huán)路穩(wěn)定方法四：設(shè)計和測量結(jié)合
這種方法是結(jié)合以上幾種方法得來的，主要取決于設(shè)計人員的技能和經(jīng)驗、產(chǎn)晶的類型、有效的元件和設(shè)計人員的偏好。

穩(wěn)定性測試方法
瞬態(tài)負載測試
對1A電源適配器環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因為傳遞函數(shù)隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元件的有效電感值通常會隨著負載電流而顯著改變。此外，在考慮大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式（有時全停）此時僅用線性分析將無法得到完整的狀況描述（picture）。
瞬態(tài)負載測試為在不同的負載和大信號動態(tài)條件下檢測全局環(huán)路響應(yīng)提供了一個快速面強大的工具。

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| 發(fā)布時間：2018.11.24 來源：電源適配器廠家

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