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电源适配器的稳定性和控制环路补偿

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电源适配器的稳定性和控制环路补偿

任何闭环控制系统在环路增益为单位增益1,且内部随频率变化的相移为360°时,该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。在电源适配器中,电源级上采用了一个低通滤波器,以消除噪声和输出平滑的直流电流,但同时不可避免地会出现相移,这将会减少相位裕度并且导致电源适配器的不稳定。
几乎所有的电源适配器都有一个闭环负反馈控制系统,从面能获得较好的性能。在负反馈系统中,控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移。所以当任何干扰产生在反馈环路中时,通常会产生反相位的反馈,从面消除了这些干扰带来的不良变化。
如果反馈的相位保持在180°,那么控制环路将总是稳定的,直流电源适配器设计工程师的工作将会轻松很多。当然在现实中这种情况是不会存在的,由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移,如果不采用合适的环路补偿,这类相移同样会导致电源适配器的不稳定。


直流电源适配器不稳定的一些原因

考虑图,这是典型的闭环负反馈电源适配器,主要元件可分为三个部分。
第一部分为功率变换器部分,其传递函数主要与变换器的拓扑结构和输出滤波器有关。
第二部分是脉冲宽度调制器,为外部控制放大器提供了最大部分的增益。
第三部分是控制比较放大器,参考电压和环路补偿网络。
电源适配器的稳定性和控制环路补偿
假设在A点处引入干扰方波。此方波所包含的能量分解成无限列奇次谐波分量。如果

检测到真实系统对不断增大的谐波有响应,则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于1且总的额外相移为180°(此相移加上原先设定的180°相移,总位移量为360°),那么将会有足够的能量返回到系统的输入端,且相位与原相位相同,那么扰动将会继续维持下去,系统在此频率下振动。
但是通常情况下,控制放大器都会采用反馈补偿元件Z1和Z2减少更高频率下的增益,使得电源适配器在所有频率下都保持稳定。

数码相机电源适配器控制环路稳定的方法
很多不同但是同样有效的方法可以用来稳定控制环路。

稳定方法一:分析法
如果设计工程师对闭环系统的理论和数学分析得相当透彻,那么要设计出最优性能电源应采用的最合适的方法就是数学和电路分析方法。但是事实上假设电路和元件的参数都已知,并且工作在线性方式下。实际上进行总体分析时,要求所有的参数要精确地等于规定值是不太可能的,尤其是电感值,在整个电流变化范围内电感值不可能保持常数。同样,能改变系统线性工作方式的较大瞬态效应也是很难预料到的。因此需要进行一些“微调”,方法如下面介绍。

环路稳定方法二:试探法
采用这种方法,电路(即控制放大器的外部电路)的传递函数即可使用增益和相位测量仪器来求得。脉冲宽度调制器和功率变换器电路的伯德图可以绘制出来,然后可用“差分技术”来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。
高增益系统中,在某些情况下对开环进行测量比较困难。在这种情况下,可以采用有低频主导极点的过补偿控制放大器来组成闭环以保持环路的稳定性。通过测量脉冲宽度调制器输入端和节电B处的电压,并且将它们同A点处的输出电压和相位相比较,可以得到一个更接近于最优的补偿网路,那么最优补偿网络可通过“镜像”方法求出。

环路稳定方法三:经验方法
在这种方法中,控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来对补偿网络进行动态优化。这种方法速度快且有效,但是必须要知道,补偿网络适用的一般模式应能匹配变换器的拓扑结构(见图)。这一方法的一个优点是大信号情况时能动态地观察到。由于这个原因,不管采用了什么方法来确定补偿网络,都应将瞬态负载测试作为最终的验证测试。
经验方法的主要缺点是不知道如何确定所得到的性能是否为最优性能。但是,如果性能在所要求的规格范围以内,那么它是否总是最优的性能就可能不是那么重要了。要对一些单元进行检查并保证有良好的拓展空间,这种测试方法不一定能求出那些条件稳定的环路。

环路稳定方法四:设计和测量结合
这种方法是结合以上几种方法得来的,主要取决于设计人员的技能和经验、产晶的类型、有效的元件和设计人员的偏好。

稳定性测试方法
瞬态负载测试
1A电源适配器环路稳定性判据的理论分析是很复杂的,这是因为传递函数随着负载条件的改变而改变。各种不同线绕功率元件的有效电感值通常会随着负载电流而显著改变。此外,在考虑大信号瞬态的情况下,控制电路工作方式转变为非线性工作方式(有时全停)此时仅用线性分析将无法得到完整的状况描述(picture)。
瞬态负载测试为在不同的负载和大信号动态条件下检测全局环路响应提供了一个快速面强大的工具。

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| 发布时间:2018.11.24    来源:电源适配器厂家
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