开关电源环路稳定的试验方法

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1、38 6.5 开关电源环路稳定的试验方法 前面频率特性分析方法是以元器件小信号参数为基础，同时在线性范围内，似乎很准确。但有时 很难做到，例如电解电容ESR 不准确且随温度和频率变化；电感磁芯磁导率不是常数，还有由于分布 参数或工艺限制，电路存在分布参数等等，使得分析结果不可能完全吻合，有时甚至相差甚远。分析 方法只是作为实际调试的参考和指导。因此，在有条件的情况下，直接通过测量运算放大器以外的环 路的频率响应，根据6.4 节的理论分析，利用测得的频率特性选择Venable 误差放大器类型，对环路补 偿，并通过试验检查补偿结果，应当说这是最直接和最可靠设计方法。采用这个方法，你可以在一个 星期

2、之内将你的电源闭环调好。前提条件是你应当有一台网络分析仪。6.5.1 如何开环测试响应 桥式、半桥、推挽、正激以及Buck 变换器都有一个LC 滤波电路，输出功率电路对系 统性能影响最大。为了讨论方便，以图6.31 为例来说明测试方法，重画为图6.48(a)。电路参 数为：输入电压115V，输出电压为5V，如前所 述 ， 滤 波 电感 和 电 容分 别 为L=15 H ，C=2600F，PWM 控制器采用UC1524,它的锯 齿波幅值为3V，只用两路脉冲中的一路，最 大占空比为0.5。为了测量小信号频率特性，变换器必须工作在实际工作点： 额定输出电 压、占空比和给定的负载电流。从前面分析知道，

3、如果把开关电源看着放 大器，放大器的输入就是参考电压。从反馈放大器电路拓扑来说，开关电源的闭环是一个以 参考电压为输入的电压串联负反馈电路。输入 电源的变化和/或负载变化是外界对反馈控制环 路的扰动信号。取样电路是一个电阻网络的分压器，分压比就是反馈系数，一般是固定的 （R2/(R1+R2) ）。参考电压（相应于放大器的 输入电压）稳定不变，即变化量为零，输出电 压也不变 (5V) 。 如上所述，所有三种误差放大器都有一个 原点极点。在低频闭环时，由于原点极点增益 随频率减少而增高（即在反馈回路电容）在很 低频率，有一个最大增益，由误差放大器开环 增益决定。直流增益很高，这意味着直流电压 仅有

4、极小误差（相对于参考电压）。例如，误差放大器在很低频率增益可能达到80dB 或更高，因为80dB 即 10000 倍，迫使输出检测电压接近参考电压，误差仅万分之一，即0.01%。这当然远优于一般 参考电压的精度，因而通常输出电压的误差由参考电压的误差决定。 为保证电源在任何干扰下输出稳定，我们将测试除误差放大器以外的开关电源的环路频率特性， 来判断闭环穿越频率、放大器需要的增益以及需要补偿的相位，以此选择误差放大器类型。 为了开环测量误差放大器以外的环路增益，你可以利用控制芯片中的误差放大器。将误差放大器 接成 跟随器 ，利用跟随器输入阻抗高的特点，在输入端将测试的扫频信号和决定直流工作点的偏

5、置电 压求和 。直流工作点的偏置电压是一个可调直流电源（调节工作点）和一个交流扫频交流信号叠加一起送入跟随器。调节可调直流电压，输出电压随之变化。可调电压增大输出电压也增大。调节可调 直流电压，使输出电压和负载达到规定的测试条件（输入电压最大和最小，负载满载和轻载），然后测试分压器输出ACout和扫频信号输出ACin的交流信号的幅值和相位，就得到相似于图6.36 的除放大 器以外的增益特性Gt（ACout/ACin）。应当注意，我们正在研究的是电源的小信号响应，是在一定 工作点附近的线性特性，所以测试应当在实际工作点 （在规定的输出电压和负载以及规定的输入电源 电压）进行。即输出如果是5V，就

6、应当将输出精确调节到5V，而不是3V 或 10V 。一定要调节可调 电源精密调整到额定输出相差mV 级以内，再进行开环测试。（a）（b）图 6.48 正激变换器环路增益测试*PWM驱 动EAR1R2ResrCoUsNsNrNpQ1UbUUrefAB误差放大UeaUoUsBbUyBdc*PWM驱 动EAR1R2ResrCoUsNsNrNpQ1UbUABUeaUoUyACinACoutdc39 测量开始前，应当确定变换器输出端确实接有规定负载(最大或最小负载)。开始测量时，应当从零缓慢增加直流电压，直到输出达到额定输出电压。因为是开环，如果先调节输出电压到额定值，再 调节负载电阻，要是你忘记了接负

7、载电阻，变换器空载或负载电阻很大，输出电压有可能过高而造成输出电容击穿。 请注意，高增益功率级对可调直流电压十分敏感，用普通的实验室直流电源可能很难精确调节到你所需要的电压。在这种情况下，你应尽量调节到实际输出电压5%以内。实在不行，你得买或做一 台可调节到mV 以内的精密电压源。还应当注意有些PWM 芯片有失调电压，电压达到大约1V 占空度 仍然为零。 有了这个频率特性，就可以根据6.4 节的方法选择误差放大器类型。根据开关频率和稳定性判据 设定零点和极点位置6.5.2 交、直流信号叠加电路 交流与直流求和电路有变压器法和混合法两种。变压器求和 图 6.49 所示电路为变压器求和法。因为同相

8、输入放大器输入阻抗极高，调节的直流电源提供的电流可以忽略，不会对 变压器造成磁偏；交流扫频信号从变压器初级输入，接在次级的 50电阻提供叠加的交流信号。变压器次级线圈将直流信 号短路，不影响直流电压调节。变压器将交流信号源与直流源隔离。特别是测量高电压电源特性时，变压器隔离是很重要 的。要小心设计求和变压器，变压器应具有很宽的带宽：即很低的频率不能饱和，而很高的频率不能 有很大的寄生电容。混合法 由于变压器法低频磁饱和而不可能工作在任意低频。另一个注入扫频信号的方法是混合法（图6.50）。这是一个同相放大器，在放大器的同相输入端不管直流还是交流都是注入信号的1/2 ，因此对 可调直流和扫频注入

9、信号都是1:1放大。而运算放大器则应当 选择恰当带宽的器件，应可工作到很高频率。 在你采用混合器之前，用网络分析仪小心测量运算放大器的响应，特别是相位移。某些高增益带宽的运算放大器具有较 大的相移，而有些运放则没有，但在手册中并不能得到这些信 息。不要忘记在运放的电源上并联一个100nF 的电容，避免直 流电源内阻抗对测量影响。在高频测量时，要注意高频信号的 接入，并且输出和输入应用BNC 插头。 混合法主要缺点是：1)为了将混合器插入环路，在PCB 上 你必须焊开一个元件，并且2)环路工作时的输出电压不能大于 运放的供电电压。6.5.3 如何闭环测量变换器环路响应 从以上分析可知，开环测试环

10、路（除误差放大器以 外）增益必须在工作点进行，要达到补偿后在任何工作状态下都稳定，所以必须测试4 种前情况： 最大和最小输入电网电压；最大和最小输出负载。开环特性随这些情况变化而变化，才能保证补偿后闭环响应 在四种情况下都稳定。从开环测量可以看到，在四种情况下，都要调整精密 电源和精确测量非常费时费事。同时，要是控制芯片上误差放大器的同相输出端不引出（8 脚 PWM 芯片内部参考 电压直接接到误差放大器同相输入端）时，就不能直接将误差放大器接成跟随器，测试就无法进行。而且，每测试 一种情况，就要调试一次工作点，十分麻烦。因此，在试验室可用闭环进行测试。- EAin + ACin ACin 50

11、 可调直流源10k 图 6.49 注入扫频信号的变压器法可调直流电源10k10k 100nF+ 100mV - ACin 10k 10k图 6.50 混合法原理图D3 D1L N3Uo N2Co R1+ U2 N1 D2Resr R2 ACo UiQ 误差放大 Uea 10k ACin Uref 100mV Ub 图 6.51 闭环测试原理图40 电路在闭环时，不需要外加可调稳压电源调节工作点，电路可以闭环调节自动稳压。但是，误差放大器如果补偿网路处于开环工作，电路振荡，无法进行相应测试。所以必须采取有效措施避免振 荡，又能有正确的工作点，通常将误差放大器做成类Venable 放大器，如图6.

12、51 所示。我们知道，在相当低频率时，直流电源环路增益总是固定的，同时附加相位移为0：如果你调节 一个确定的占空比，你就可以得到对应的输出电压，占空比增加，输出电压就增加。这意味着变换器总有一个稳定工作的足够低的带宽的负反馈系统。如采用型放大器，只有一个原点极点。如果将此 极点频率远低于滤波器谐振频率，放大器环路幅频特性以20dB/dec 穿越 0dB，附加相移为90，闭 环是不会振荡的。 我们以图6.52 来说明这个方法。对于型放大 器，一个原点极点：RCfp21 0假定用一个大电容1F 补偿的正激变换器的闭环，并使得fp0=200Hz。测量得到图6.52 中曲线2 是 含有误差放大器的响应

13、曲线。穿越频率fc0= fp0,相位移小于 135,系统是稳定的，且带宽为200Hz。但这不 是我们感兴趣的。闭环正是获得开环特性的一种策略。实际带有fp0=200Hz 的误差放大器特性如图中曲 线 1。如果将曲线2 减去曲线1 可以获得曲线3,这就是去除误差放大器以外的频率特性。 实际上只要得到的测量波特图，就可以设计误差放大器。根据fc0=(1/41/5) fs选择穿越频率。实际开 关频率为100kHz，选择fc0=20kHz 穿越，比200Hz 高100 倍， 即将电容减少fc0/ fp0100 倍。因要求的穿 越频率是测量曲线穿越频率100 倍，增益提升40dB,即在 20kHz 将曲

14、线 2 的-80dB 提升到曲线3 的-40dB， 这就是误差放大器需要补偿的增益约40dB，即 102。相频特性没有变化，对应20kHz 环路相移为186， 因此环路不稳定。就是除误差放大器以外的相移为18690=96，不能采用型放大器，而应采用型 放大器。 型放大器的水平增益为40dB。根据总相位裕 度为135，因此，误差放大器最大相移为135-96=39。根据表6.1 可以看到，只要选择k=3(相位 滞后36)就可以了。这个方法给出的结果几乎与计 算一致。 注意：有时功率级的增益很低，同时如果要将环路补偿到高频，用这个方法在足够低于噪声频率（即-60dB）测量的增益。在这样情况下，可以将

15、1F 电容减少到100nF，这样增益增加20dB。 但是，测试环路增益要使用昂贵的网络分析仪，这是一般小型企业做不到的。 在任何情况下，大信号带宽始终小于或等于小信号带宽，因为在变换器的闭环运行进入非线性之 前首先小信号响应，并由小信号带宽决定。因此，有时将大信号响应的非线性环路完全分离出去：然 后必须决定当每个环路工作时，在它们之间如何避免干扰等等。如有可能，环路应当避免大信号工 作。 例： 将1.2V 电源带宽设计得很宽，同时测量闭环响应有45相位裕度。遗憾的是当负载阶跃变化 时，系统开始振荡：运放没有足够的增益带宽和摆率，很多时间试图达到稳定值，首先达到正电压， 然后又掉到地电位，这样来回摆动。要消除这个振荡，更换一个相同管脚排列的高增益带宽的运放 （高摆率）。6.5.4 电流型控制60 40 20 0 -20 -40 -60 1 10 102 103 104f (a) 1 10 102 103 104f0 -45 -90 -135 -180 -225 (b) 图 6.52 闭环特性测试结果2