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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(fù)反饋控制系統(tǒng)，從面能獲得較好的性能。在負(fù)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(fù)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?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)載方法來對補償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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?fù)浣Y(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(fù)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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載測試為在不同的負(fù)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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