電源環(huán)路穩(wěn)定性分析

環(huán)路分析的測試原理主要是給開關(guān)電源電路注入一個(gè)頻率變化的正弦信號，測量開關(guān)電源在頻域上的特性，通過分析增益余量和相位余量來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，可以為電子工程師設(shè)計(jì)穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)。

    相比傳統(tǒng)的測試方法，比如：采用電子負(fù)載對開關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行不同電壓或電流下的工作狀態(tài)，甚至采用不同電流斜率的動(dòng)態(tài)負(fù)載來測試開關(guān)電源的工作狀態(tài)。環(huán)路分析的測量方式可以大大減少環(huán)路穩(wěn)定性的驗(yàn)證周期，而且具備直觀的伯德圖數(shù)據(jù)。

     開關(guān)電源的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位，通過伯德圖來對開關(guān)電源的環(huán)路穩(wěn)定性進(jìn)行判斷和分析已經(jīng)成為評估開關(guān)電源可靠性*的方法。

   在研發(fā)期間反復(fù)的修改和調(diào)試電路時(shí)，環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比，同時(shí)測量非常便捷，能快速的判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，增強(qiáng)工程師對設(shè)計(jì)產(chǎn)品的信心。

用什么儀器來進(jìn)行環(huán)路測試呢？

1、用網(wǎng)絡(luò)分析儀，代價(jià)昂貴

2、用專門的環(huán)路分析儀，低價(jià)比網(wǎng)路分析儀相對便宜。

3、用示波器加信號源加注入變壓器，代價(jià)低(用泰克MDO示波器做環(huán)路分析)

衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)是相位裕度和增益裕度。同時(shí)穿越頻率，也應(yīng)作為一個(gè)參考指標(biāo)。

(1) 相位裕度是指：增益降到0dB時(shí)所對應(yīng)的相位。

(2) 增益裕度是指：相位為0deg時(shí)所對應(yīng)的增益大小(實(shí)際是衰減)。

(3) 穿越頻率是指：增益為0dB時(shí)所對應(yīng)的頻率值。

相位裕度，增益裕度，穿越頻率，如圖（波特圖）所示

開關(guān)電源控制環(huán)路穩(wěn)定性驗(yàn)證

   開關(guān)電源環(huán)路的頻響特性，如果電源的負(fù)載特性在某一頻率下增益等于1(0dB)且相移量為180°時(shí)，那么電源控制環(huán)路將因出現(xiàn)同相正反饋(此相移量加原設(shè)定180°相移，總相移量為360°)，因而有足夠能量返回系統(tǒng)，并在此頻率下維持振蕩。為避免電源系統(tǒng)出現(xiàn)類似破壞性的不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常情況下，環(huán)路控制電路都會(huì)采用反饋補(bǔ)償組件來降低高頻端的增益，使得開關(guān)電源在預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定。

    環(huán)路穩(wěn)定性測試接線圖如圖2所示，將信號電阻（Inserted Resistor ）接入電源的環(huán)路控制電路中，注入一特定幅度和頻率范圍的掃頻干擾信號(OUT)，當(dāng)干擾信號達(dá)到一定的幅度時(shí)，環(huán)路系統(tǒng)便對干擾信號有所響應(yīng)，然后使用頻率響應(yīng)分析儀對電源環(huán)路輸出端(CH2)和電源環(huán)路干擾信號注入端(CH1)同時(shí)進(jìn)行比值跟蹤測量，則可以得出頻率與增益和相位的關(guān)系曲線圖——波特曲線圖（Bode Plot Graph)，如圖1所示。

   在實(shí)際測試過程中應(yīng)注意的環(huán)節(jié)是注入電阻的位置，以及阻值大小。為了減小測量誤差，實(shí)測一般選取10～100Ω的電阻；干擾信號的大小一般要求其幅度不能超過輸出電壓的5%，否則測出來的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。

環(huán)路穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)

    工程中一般認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，環(huán)路的相位裕量要求大于45°，以確保系統(tǒng)在各種誤差和參數(shù)變化情況下的穩(wěn)定性。當(dāng)負(fù)載特性、輸入電壓變化較大時(shí)，需考慮在所有負(fù)載狀況下以及輸入電壓范圍內(nèi)的環(huán)路相位裕量應(yīng)大于30°。

    穿越頻率，又稱為頻帶寬度，頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬，其對負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復(fù)時(shí)間也就越快，系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及原材料、運(yùn)放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關(guān)頻率的1/20～1/6。

綜合以上，一般可從以下三個(gè)原則判定電源環(huán)路穩(wěn)定性:

(1)、在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，閉環(huán)回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應(yīng)大于45 度；如果輸入電壓、負(fù)載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應(yīng)小于30度。

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

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