【導讀】隨著電子，自控，航天，通訊，醫(yī)療器械等技術不斷向深度和廣度的發(fā)展，勢必要求為期供電的電源要有更高的穩(wěn)定性，即不僅要有好的線性調(diào)節(jié)率、負載調(diào)節(jié)率還要有快速的動態(tài)負載響應。而這些因素都和控制環(huán)路有關，控制環(huán)路一般工作在負載狀態(tài)，稱之為電壓負反饋。
隨著電子，自控，航天，通訊，醫(yī)療器械等技術不斷向深度和廣度的發(fā)展，勢必要求為期供電的電源要有更高的穩(wěn)定性，即不僅要有好的線性調(diào)節(jié)率、負載調(diào)節(jié)率還要有快速的動態(tài)負載響應。而這些因素都和控制環(huán)路有關，控制環(huán)路一般工作在負載狀態(tài)，稱之為電壓負反饋。如果變換器中沒有用到反饋控制環(huán)路（圖1中H部分），其傳遞函數(shù)一般為C/R=G，其中G為輸入濾波，功率變換、整流濾波部分等因數(shù)的乘積（其為級聯(lián)的形式，所以本文中以總乘積因子G來表示），可以看出輸出隨輸入的變化而成線性的變化，但是由于整流、濾波網(wǎng)絡在整個時域的非線性，實際上這種變化應該是近似于線性，所以當輸入電源改變的時候并不能很好的氣到穩(wěn)壓的作用。如果反饋環(huán)路設計的不好，對應負載的瞬態(tài)改變，環(huán)路就不能做出及時恰當?shù)恼{(diào)整，那么輸出電源瞬間會偏高或者偏低，甚至有可能會造成電源系統(tǒng)的振蕩，對下構成損壞。此時若能夠對環(huán)路測量就顯得很重要了。那么環(huán)路部分有是怎么影響整個回路的呢？
參考DELTA公司AC-DC系列產(chǎn)品，下圖表示的反饋環(huán)路控制部分中的運放的環(huán)增益模型，其傳遞函數(shù)為C/R=G/(1+GH)，其中G：開環(huán)增益。H：反饋系數(shù)。GH：環(huán)增益（可以通過圖1推導）
一、環(huán)增益穩(wěn)定的標準
由傳遞函數(shù)C/R=G/(1+GH)，放大器的開環(huán)增益G是頻率的函數(shù)，會隨著頻率的增加而減小，同時也和放大器的相位有關，當GH=-1,則其傳遞的值為∞，即增益是無窮大的，可以認為任意小的輸入擾動都能引起輸出的無窮大，如果這種輸出無窮大的信號在反饋到功率變換環(huán)節(jié)，勢必會造成輸出的振蕩，整個系統(tǒng)因而不在穩(wěn)壓。所以說可以通過分析GH的增益和相位來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
又因為當GH=-1時是振蕩的，所以有相移∠GH是180°（因為負反饋本身就有180°的相移），回路增益|GH|=1（0dB）.所以要使運放穩(wěn)定需要滿足以下條件：
1. 相位條件就是要其相移小于180°，即要有45°以上的余量，增益條件一般要求有-12dB以上余量。
2. 穿越頻率按20dB/Dec閉合。相關解釋下文介紹。
二、Bode圖基礎
我們可以通過環(huán)增益GH的頻率特性來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖（圖2）來表示，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過Bode圖中的相位余量（Phase margin），增益余量（gain margin），穿越頻率（crossover frequency）來衡量。其中
相位余量（Phase margin）是指：增益降到0dB時所對應的相位，以度（deg）為單位表示（圖2）。
增益余量（gain margin）是指：相位為0時所對應的增益大小，以分貝（dB）為單位來表示（圖2）。
穿越頻率（crossover frequency）是指：增益曲線穿越0dB時的頻率點（圖2）。
相位余量的作用是確保在一定條件下（包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、溫升等）系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定，使用在標稱輸入額定負載室溫下，要有45度的余量。如果輸入電源、負載、溫度變化范圍非常大，相位余量不應小于30度。增益余量為了不接近不穩(wěn)定點，一般認為-12dB以上是必要。
穿越頻率頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應的快慢。一般認為寬度越寬，其對負載動態(tài)響應的抑制能力就越好，過沖，欠沖越小，恢復時間越就越快，系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點的影響，以及原材料、運放的帶寬不能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制的提高，一般取開關頻率的1/20~1/6。
三、環(huán)路的測試
對環(huán)路的增益和相位的測量，我們通?？梢岳铆h(huán)路分析儀（FRA）或增益-相位分析儀進行測量。這些儀器是通過對采樣獲得的模擬信號進行預處理，然后通過A/D轉換，在利用DFT（離散傅里葉變換）運算求得增益和相位，用曲線（Bode plot）表示出來。
本文將以OMICRONI-LAB公司的環(huán)路分析儀（Bode100 國測電子）來做分析，主要按照下邊的連接圖來進行，特別需要注意的是注入電阻的位置，以及大小，為了減小測量誤差，實驗一般選取10~100Ω的電阻，有關擾動信號的大小我們可以在測試的過程中通過示波器讀出，也可以利用FRA的振幅壓縮（Amplitude compression）功能來設置，不過要求擾動的幅度不能超過電壓的5%，否則測出來的結果是不準確的。
四、開關電源穩(wěn)定性測試：
在了解影響產(chǎn)品穩(wěn)定性的因素和判定準則以及怎樣來檢測產(chǎn)品后，就可以對所測的產(chǎn)品結果進行分析了。下面就以DELAT公司寬壓系列的一款產(chǎn)品來做實驗，實際接地部分見（圖3），測試結果見（圖4）。增益（可通過圖1推導）。
在這中，從上圖可以看出其增益余量是-9.499dB，相位余量是83deg，帶寬是20.49KHz，但是83deg的相位余量其動態(tài)是欠阻尼的，其實可以通過對誤差放大器補償網(wǎng)絡在稍低的頻率下滑落（roll off）來實現(xiàn)。在保證相位余量的前提下，在0dB以下增益可以按-40dB/decade衰減，從而更有利于抑制高頻干擾，其達到響應。
0dB交點對應的頻率為20.49KHz，若需要更高的帶寬，可以使用更小輸出濾波電容便可以產(chǎn)生較小的紋波電壓，這樣也可以減少原材料的使用和模塊電源的體積，從而使模塊電源變得更節(jié)能?？紤]到非常保守的增益和相位余量，當然也可以對誤差放大器的補償環(huán)節(jié)進行一些小的改動，合理的提升帶寬，使系統(tǒng)達到更快的響應，提高穩(wěn)定性。
另外，在測試過程中，開關電源的環(huán)路增益和相位通常建議在空載，半載和滿載的情況下分別測試。至于激勵信號的功率高低的選擇，一般情況下需要在測量頻率比較低時要把注入的交流激勵信號的功率設得高一些，例如-20dBm或-30dBm。環(huán)路測試過程中電容ESR測試也是非常重要的，而OMICRON-LAB公司的環(huán)路分析儀Bode100高達40MHz頻率，極大方便了被動器件頻率特性測量。
五、總結
從反饋環(huán)路增益相位的角度講述了如何測量開關電源穩(wěn)定性，給出穩(wěn)定性的標準，Bode圖的認識，F(xiàn)RA的使用包括鏈接示意圖、環(huán)路特性的測量，以及實驗結果的簡單分析，提出改善的建議。當然系統(tǒng)的穩(wěn)定性也可以由時域方式來做定性的分析，但是通過環(huán)路分析儀卻可以在頻率域上定量的求出，從而對系統(tǒng)的性能做出更直觀的判斷。尤其在業(yè)界激烈競爭及客戶交期非常短的情況下對電源進行頻域文檔行分析就顯得極為重要。在測量開關電源負反饋環(huán)路頻率響應，建議使用專用的環(huán)路分析儀或矢量網(wǎng)絡分析儀，如Bode100，E5016B。
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