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電源適配器的穩定性和控制環路補償

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電源適配器的穩定性和控制環路補償

任何閉環控制系統在環路增益為單位增益1，且內部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環控制系統都會存在不穩定的可能性。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相移，這將會減少相位裕度并且導致電源適配器的不穩定。
幾乎所有的電源適配器都有一個閉環負反饋控制系統，從面能獲得較好的性能。在負反饋系統中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移。所以當任何干擾產生在反饋環路中時，通常會產生反相位的反饋，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°，那么控制環路將總是穩定的，直流電源適配器設計工程師的工作將會輕松很多。當然在現實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用合適的環路補償，這類相移同樣會導致電源適配器的不穩定。


直流電源適配器不穩定的一些原因

考慮圖，這是典型的閉環負反饋電源適配器，主要元件可分為三個部分。
第一部分為功率變換器部分，其傳遞函數主要與變換器的拓撲結構和輸出濾波器有關。
第二部分是脈沖寬度調制器，為外部控制放大器提供了較大部分的增益。
第三部分是控制比較放大器，參考電壓和環路補償網絡。
電源適配器的穩定性和控制環路補償
假設在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

檢測到真實系統對不斷增大的諧波有響應，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的輸入端，且相位與原相位相同，那么擾動將會繼續維持下去，系統在此頻率下振動。
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定。

數碼相機電源適配器控制環路穩定的方法
很多不同但是同樣有效的方法可以用來穩定控制環路。

穩定方法一：分析法
如果設計工程師對閉環系統的理論和數學分析得相當透徹，那么要設計出較優性能電源應采用的較合適的方法就是數學和電路分析方法。但是事實上假設電路和元件的參數都已知，并且工作在線性方式下。實際上進行總體分析時，要求所有的參數要精確地等于規定值是不太可能的，尤其是電感值，在整個電流變化范圍內電感值不可能保持常數。同樣，能改變系統線性工作方式的較大瞬態效應也是很難預料到的。因此需要進行一些“微調”，方法如下面介紹。

環路穩定方法二：試探法
采用這種方法，電路（即控制放大器的外部電路）的傳遞函數即可使用增益和相位測量儀器來求得。脈沖寬度調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”來確定補償控制放大器所必須具有的特性。
高增益系統中，在某些情況下對開環進行測量比較困難。在這種情況下，可以采用有低頻主導極點的過補償控制放大器來組成閉環以保持環路的穩定性。通過測量脈沖寬度調制器輸入端和節電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較優的補償網路，那么較優補償網絡可通過“鏡像”方法求出。

環路穩定方法三：經驗方法
在這種方法中，控制環路采用具有低頻主導極點的過補償控制放大器組成閉環來獲得初始穩定性。然后采用瞬時脈沖負載方法來對補償網絡進行動態優化。這種方法速度快且有效，但是必須要知道，補償網絡適用的一般模式應能匹配變換器的拓撲結構（見圖）。這一方法的一個優點是大信號情況時能動態地觀察到。由于這個原因，不管采用了什么方法來確定補償網絡，都應將瞬態負載測試作為后面的驗證測試。
經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較優性能。但是，如果性能在所要求的規格范圍以內，那么它是否總是較優的性能就可能不是那么重要了。要對一些單元進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定的環路。

環路穩定方法四：設計和測量結合
這種方法是結合以上幾種方法得來的，主要取決于設計人員的技能和經驗、產晶的類型、有效的元件和設計人員的偏好。

穩定性測試方法
瞬態負載測試
對1A電源適配器環路穩定性判據的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數隨著負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載電流而顯著改變。此外，在考慮大信號瞬態的情況下，控制電路工作方式轉變為非線性工作方式（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）。
瞬態負載測試為在不同的負載和大信號動態條件下檢測全局環路響應提供了一個快速面強大的工具。

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| 發布時間：2018.11.24    來源：電源適配器廠家
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