电源环路稳定性评价方法

sick

一、环路稳定性评价指标


衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。同时穿越频率，也应作为一个参考指标。
(1) 相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。
(2) 增益裕度是指：相位为0deg时所对应的增益大小(实际是衰减)。
(3) 穿越频率是指：增益为0dB时所对应的频率值。

相位裕度，增益裕度，穿越频率，如图（波特图）所示。

相位容限即相位裕度，增益容限即增益裕度。

二、开关电源控制环路稳定性验证

       开关电源环路的频响特性，如果电源的负载特性在某一频率下增益等于1(0dB)且相移量为180°时，那么电源控制环路将因出现同相正反馈(此相移量加原设定180°相移，总相移量为360°)，因而有足够能量返回系统，并在此频率下维持振荡。为避免电源系统出现类似破坏性的不稳定现象，通常情况下，环路控制电路都会采用反馈补偿组件来降低高频端的增益，使得开关电源在预设频率范围内都保持稳定。

环路稳定性测试接线图如图2所示，将信号电阻（Inserted Resistor ）接入电源的环路控制电路中，注入一特定幅度和频率范围的扫频干扰信号(OUT)，当干扰信号达到一定的幅度时，环路系统便对干扰信号有所响应，然后使用频率响应分析仪对电源环路输出端(CH2)和电源环路干扰信号注入端(CH1)同时进行比值跟踪测量，则可以得出频率与增益和相位的关系曲线图——波特曲线图（Bode Plot Graph)，如图1所示。

在实际测试过程中应注意的环节是注入电阻的位置，以及阻值大小。为了减小测量误差，实测一般选取10～100Ω的电阻；干扰信号的大小一般要求其幅度不能超过输出电压的5%，否则测出来的结果是不准确的。

环路稳定性测试接线图

三、环路稳定性评价指标

      工程中一般认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕量要求大于45°，以确保系统在各种误差和参数变化情况下的稳定性。当负载特性、输入电压变化较大时，需考虑在所有负载状况下以及输入电压范围内的环路相位裕量应大于30°。


     穿越频率，又称为频带宽度，频带宽度的大小可以反映控制环路响应的快慢。一般认为带宽越宽，其对负载动态响应的抑制能力就越好，过冲、欠冲越小，恢复时间也就越快，系统从而可以更稳定。但是由于受到右半平面零点的影响，以及原材料、运放的带宽不可能无穷大等综合因素的限制，电源的带宽也不能无限制提高，一般取开关频率的1/20～1/6。


综合以上，一般可从以下三个原则判定电源环路稳定性:


(1)、在室温和标准输入、正常负载条件下，闭环回路增益为0dB(无增益)的情况下,相位裕度是应大于45 度；如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度不应小于30度。
(2)、同步检查在相位接近于0deg时,闭环回路增益裕度应大于7dB，为了不接近不稳定点，一般认为增益裕度12dB以上是必要的。
(3)、同时依据测试的波特图对电源特性进行分析，穿越频率按20dB/Dec闭合，频带宽度一般为开关频率的1/20～1/6。


如果有环路分析仪，就好说了，低温条件下，典型输入典型输出，测开环Bode图，按照上述评判标准进行判断就可以了。


问题是：我们中小企业往往没有足够的测试条件。在没有测试波特图的条件情况下，我们如何分析和判断环路稳定性呢？


      若没有环路分析仪，就通过输出动态负载响应进行判断，测试条件：规格书标定的最低温度运行（如-25℃），额定输入电压，输出不要额外挂电容，负载进行半载---满载---半载切换（一般电流变化率可按照工业电源的标准0.1A/us的变化率设定），若此时输出动态响应能做到这个样子，基本就能判定环路很稳了：


Phase点的jitter

       对于典型的PWM开关电源，如果phase点jitter太大，通常系统会不稳定（就是之前提到的相位裕量不足，在动态负载情况下，时域的表现），对于200~500K的PWM开关电源，典型的jitter值应该在1ns以下。