如何讓我們的開(kāi)關(guān)電源更加穩(wěn)定可靠,第一部分
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1.前言
開(kāi)關(guān)電源(Switching Mode Power Supply),又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓,透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。
與傳統(tǒng)的線性電源相比,開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在于效率高(此處的效率可以簡(jiǎn)單的看作輸入功率與輸出功率之比),加之開(kāi)關(guān)晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),損耗較小,發(fā)熱較低,不需要體積/重量非常大的散熱器,因此體積較小、重量較輕。但開(kāi)關(guān)電源工作時(shí),由于頻率較高,會(huì)對(duì)電網(wǎng)及周?chē)O(shè)備造成干擾,因此,必須妥善的處理此問(wèn)題。
造成開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 不穩(wěn)定的原因有很多,其中只有一個(gè)原因是控制回路的增益或相位裕度不足。在這篇文章中,我將提供一些關(guān)于確定這些不穩(wěn)定性的原因以及如何解決它們的技巧。
使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量環(huán)路響應(yīng)并研究增益和相位裕度實(shí)際上可能是解決問(wèn)題的正確途徑(就像我們有時(shí)吃東西是因?yàn)槲覀儗?shí)際上很餓一樣),但在很多情況下增益和相位圖根本無(wú)濟(jì)于事。
在所有情況下,我們應(yīng)該做的第一件事是仔細(xì)查看不穩(wěn)定性,研究其特征并使用該信息推斷可能的原因。
2.控制回路不穩(wěn)定
讓我們先看看控制環(huán)路的不穩(wěn)定性,因?yàn)?/span>——盡管我上面說(shuō)過(guò)——具有足夠增益和相位裕度的控制環(huán)路是 SMPS 穩(wěn)定性的必要條件,但不是充分條件。
我們設(shè)計(jì)的電路具有所需的增益和相位裕度,以滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)并提供穩(wěn)定的控制回路。波特圖顯示頻域中的增益和相位裕度。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更容易測(cè)量,并且在時(shí)域中給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的良好定性指示。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)在某些方面是系統(tǒng)穩(wěn)定性的更好指標(biāo),因?yàn)樗硎鞠到y(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng),與波特圖的小信號(hào)響應(yīng)相反。圖 1 顯示了升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)的典型波特圖和瞬態(tài)響應(yīng)。
圖 1:典型環(huán)路響應(yīng):波特圖 (a);瞬態(tài)響應(yīng) (b)
SMPS 控制環(huán)路中存在多種非線性,它們可以改變環(huán)路增益和相位,足以將穩(wěn)定環(huán)路變?yōu)椴环€(wěn)定環(huán)路:
· 反饋回路中光耦合器的電流傳輸比 (CTR) 可以在很大范圍內(nèi)變化,隨著發(fā)光二極管 (LED) 電流從最小到最大的變化,變化高達(dá) 3 比 1,其中隨著溫度從室溫變化到最高溫度(例如 20°C 到 90°C),還有 50% 的變化。
· 電感器有時(shí)被故意設(shè)計(jì)為在輕負(fù)載下比在重負(fù)載(擺動(dòng)扼流圈)下具有更高的電感。
· 功率級(jí)的增益隨著它從不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 而增加。
3.診斷與解決
控制環(huán)路不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致環(huán)路交叉頻率(0dB 增益)處發(fā)生振蕩。理想情況下,振蕩是正弦的,但由于系統(tǒng)中的非線性,可能會(huì)出現(xiàn)一些失真。我們可能會(huì)看到以下內(nèi)容:
· 它會(huì)在相當(dāng)寬的輸入電壓和負(fù)載電流條件下持續(xù)存在。在狹窄的操作條件范圍內(nèi)出現(xiàn)的不穩(wěn)定性不太可能是由控制回路引起的。
· 占空比變化將在振蕩期間逐漸變化。
· 可能安裝了錯(cuò)誤的組件值,或者組件可能完全不存在。這將改變環(huán)路響應(yīng),減少或消除環(huán)路中設(shè)計(jì)的增益裕度。仔細(xì)檢查反饋回路中每個(gè)電阻器、電容器和其他組件的值。
· 光耦合器通常在大約 10kHz 的傳遞函數(shù)中有一個(gè)極點(diǎn);如果我們在設(shè)計(jì)階段沒(méi)有考慮到,這可能會(huì)導(dǎo)致意外的額外相移。
尋找解決方案的一種方法是減慢循環(huán)速度,采用波特圖,研究結(jié)果并重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),并根據(jù)需要進(jìn)行迭代。不要將控制環(huán)路振蕩與輸入濾波器振蕩混淆。(我將在本系列的后面部分討論這個(gè)問(wèn)題。)如果我們將輸入濾波器電感短路或系統(tǒng)從 DCM 移動(dòng)到 CCM 時(shí)增益增加而導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,振蕩是否會(huì)持續(xù)存在?
請(qǐng)注意,升壓 PFC 級(jí)的輸出將始終具有兩倍于線路頻率的正弦紋波電壓。這是拓?fù)涔逃械?,不?yīng)與控制回路不穩(wěn)定性混淆。紋波是升壓 PFC 控制環(huán)路帶寬通常限制在 7Hz 和 10Hz 之間的原因。