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详解开关电源的环路补偿基础知识

  开关电源是一种典型的反馈控制系统,其有响应速度和稳定性两个重要的指标。响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时,电源能迅速做出调整的速度。因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC,其电流会随着逻辑功能的变化而变化,比如FPGA在进行配置时,电流会增大一倍以上。而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。为了保证电源稳定输出,不产生跌落或者过冲,就要求电源必须迅速做出调整,使得最终输出的电压没有变化。而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。

  由于电源加入了反馈系统,就可能发生震荡。如果电源系统的参数没有设置好,就会产生震荡,结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。导致电源不稳定。

  从上图可以看出,环路测试实际上是将干扰信号通过反馈电路注入到误差放大器中,而后查看误差放大器加后级输出环节的级联响应。误差放大器的响应实际上就是该误差放大器的开环增益。所以环路的根本目的如下图所示:

  随着一个个频率信号的扫描,最终将各个频道的环路增益绘制在一张图上,就会得到一幅很直观的频域特性图。 最终环路特性曲线如下图所示:

  根据这张图,我们就可以判断电源设计是否稳定,是否有优化的空间。曲线的稳定性判定标准如下: 穿越频率: 建议为开关频率的5%到20%,过高则不稳定,过低则响应速度过慢。 相位裕度: 要求一定要大于45°,建议45°到80°。 穿越斜率(0dB附近):要求为单极点穿越,一般是要求穿越斜率在-1左右,即-20db/每十倍频。 增益裕度: 建议大于10dB。

  (1)、在室温和标准输入、正常负载条件下,闭环回路增益为0dB(无增益)的情况下,相位裕度是应大于45 度;如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度不应小于30度。 (2)、同步检查在相位接近于0deg时,闭环回路增益裕度应大于7dB,为了不接近不稳定点,一般认为增益裕度12dB以上是必要的。 (3)、同时依据测试的波特图对电源特性进行分析,穿越频率按20dB/Dec闭合,频带宽度一般为开关频率的1/20~1/6。

  如果有环路分析仪,就好说了,低温条件下,典型输入典型输出,测开环Bode图,按照上述评判标准进行判断就可以了。

  干扰信号具体要如何注入到误差放大器呢,误差放大器的开环增益都非常大,都有60db左右。那么为了不使误差放大器输出饱和,输入信号必须在-50dbm左右,大概2mv左右,这个信号幅度太小,产生过于困难,一般的电磁噪声信号都要高过这个信号的幅度。显然这样直接注入是不可行的。为了能够成功注入干扰信号,我们需要利用反馈来进行。

  注入点如何选择 选择注入点,有一个比较简单的方法,对于电压源就是找设计电路时,用来计算电压的那两个电阻。设计电路时是按哪个电阻来调整输出的,就加到哪个电阻上。对于电流源,也与电压源大致相同,不过电流源中一般是没有R1或者R2,只要将注入电阻放在反馈电电路之后就可以了。

  问题是:我们中小企业往往没有足够的测试条件。在没有测试波特图的条件情况下,我们如何分析和判断环路稳定性呢?

  若没有环路分析仪,就通过输出动态负载响应进行判断,测试条件:规格书标定的最低温度运行(如-25℃),额定输入电压,输出不要额外挂电容,负载进行半载---满载---半载切换(一般电流变化率可按照工业电源的标准0.1A/us的变化率设定),若此时输出动态响应能做到这个样子,基本就能判定环路很稳了:

  对于典型的PWM开关电源,如果phase点jitter太大,通常系统会不稳定(就是之前提到的相位裕量不足,在动态负载情况下,时域的表现),对于200~500K的PWM开关电源,典型的jitter值应该在1ns以下。


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