金 花

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

穩(wěn)定性屬于動特性范疇，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)際上是研究系統(tǒng)的過渡過程。

穩(wěn)定環(huán)路系統(tǒng)的第一準(zhǔn)則是：在開環(huán)總增益為1的穿越頻率處，系統(tǒng)的總開環(huán)相移必須小于360°。在開關(guān)電源中，環(huán)路中可能存在低電平的噪聲電壓或暫態(tài)電壓，它們的正弦傅里葉分量的頻譜很寬，這些分量經(jīng)過濾波器.誤差放大器.以及P WM調(diào)制器后的增益和相移不一樣，導(dǎo)致開關(guān)電源的不穩(wěn)定。如果反饋的相位保持在180°，那么控制環(huán)路總是穩(wěn)定的，但是現(xiàn)實(shí)中這樣的情況不存在，由于各種延時和電抗額外的相移，這類相移會導(dǎo)致開關(guān)電源的不穩(wěn)定。

1 開關(guān)電源不穩(wěn)定的原因分析

幾乎所有的開關(guān)電源都有一個閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能，在負(fù)反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意引入了180°相移，所以，當(dāng)任何干擾產(chǎn)生在反饋環(huán)路中，通常會產(chǎn)生反相位的反饋，從而消除這些干擾帶來的不良變化。

開關(guān)電源系統(tǒng)由變換部分（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)）、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）以及控制比較放大器（參考電壓和環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)）三部分組成。如在輸出端處引入干擾方波，此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量，如果檢測到真實(shí)系統(tǒng)對不斷增大的諧波有影響，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，相位和原相位相同，那么擾動將會繼續(xù)堅(jiān)持下去，在此頻率下震動，但是，通常情況下放大器會采用反饋補(bǔ)償原件減少更高頻率下的增益，使得開關(guān)電源在所有頻率下保持穩(wěn)定。

2 控制環(huán)路穩(wěn)定性分析方法

時域分析：①跳載，瞬時加減載觀察暫態(tài)響應(yīng)；②注入方波信號觀察輸出波形試誤。

頻域分析：①仿真（根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數(shù)學(xué)及電路模型進(jìn)行分析），用計(jì)算機(jī)模擬出伯德圖觀察增益和相位；②頻響分析，掃描信號方式，真實(shí)測量環(huán)路的增益和相位裕量。采用這種方法，電路的傳遞函數(shù)即可使用增益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，采用差分技術(shù)確定補(bǔ)償控制放大器所必須的特性。

3 穩(wěn)定性測試方法

開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因?yàn)閭鬟f函數(shù)隨著負(fù)載條件的改變而改變，各種不同繞線功率原件的有效電感值通常會隨負(fù)載電流而變化顯著。此外，在大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時僅用線性分析無法得到完整的狀況描述。

典型的瞬態(tài)電流和電壓波形有三種情況，第一種為欠阻尼響應(yīng)，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有震蕩，那么擁有這種響應(yīng)的電源增益裕度和相位裕度都很小，只能在某些特定條件下才能穩(wěn)定，因此要盡量避免這種類型的響應(yīng)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該調(diào)整在稍低的頻率下滑離。第二種為過阻尼響應(yīng)，雖然比較穩(wěn)定，但是瞬態(tài)恢復(fù)性能并非最好，滑離頻率也應(yīng)該增大。第三種接近于最優(yōu)情況，在絕大多數(shù)應(yīng)用中，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定，性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足，但是只在一定條件才能穩(wěn)定的系統(tǒng)其瞬態(tài)性能相當(dāng)好。

一旦在滿負(fù)載下補(bǔ)償元件被優(yōu)化確定，負(fù)載和輸入電壓應(yīng)該減小，從而獲得整個工作區(qū)間的規(guī)范條件。對一些單元進(jìn)行檢查給出工作特性的變動范圍，最后，要檢查環(huán)路，采用增益和相位測量方法（伯德圖）來獲得增益裕度和相位裕度從而確保整個系統(tǒng)不是條件穩(wěn)定的。

完整的伯德圖是一種很好地體現(xiàn)出整個電源系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的方法，伯德圖可以將部分或全部開環(huán)哄閉環(huán)系統(tǒng)的增益和相位角以圖表的方式表示出來，是建立在十被頻程上的。大部分的穩(wěn)定電源都有很大的直流增益，從而有一個明確的輸出電壓，這種高增益使我們很難對開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行測量。開環(huán)系統(tǒng)中，直流或交流輸入電壓上的一個很小的變動都會使輸出突增至滿輸出，工作方式變成非線性，所要求的直流工作點(diǎn)也不能保持，因此，一般都采用測量閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖。

測量閉環(huán)伯德圖的增益和相位時采用的一個常用方法圖1所示：

圖1 測量閉環(huán)伯德圖

第一部分包括變換器和脈寬調(diào)制器，第二部分是電源內(nèi)的補(bǔ)償控制放大器，測量設(shè)備包括變壓器T 1，電壓表V 1，V 2，振蕩器V 3,.他被接在外部輸出端（+O U T）和傳感器（+S）之間，變壓器T 1有較低的輸出阻抗和較寬的帶寬。也提供了一條直流環(huán)路使控制環(huán)不因直流條件改變而斷開。

振蕩器通過變壓器引入一個很小的串聯(lián)型電壓至環(huán)路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V 1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V 2測量 （電容器C 1和C 2起隔直流電流的作用）。V 2/V 1（以分貝形式）為系統(tǒng)的電壓增益。相位差就是整個環(huán)路的相移（在考慮到固定的180°負(fù)反饋反相位之后）。輸入信號電平必須足夠小，以使全部控制環(huán)路都在其正常的線性范圍內(nèi)工作。

測量好脈寬調(diào)制器和功率變換器部分的傳遞特性，就可以確定補(bǔ)償控制放大器的參數(shù)了。首先找出開環(huán)曲線中極點(diǎn)過多處對應(yīng)的頻率，在對應(yīng)的頻率引入零點(diǎn)，然后再找出零點(diǎn)對應(yīng)的頻率，在對應(yīng)的頻率周圍引入極點(diǎn)。

對于電壓型控制系統(tǒng)正確的做法是減少脈寬調(diào)制器和功率變換部分的增益，讓他遠(yuǎn)小于單位增益，或也可以使用大于單位增益的反相放大器連接到普通的放大器的反相輸入端。對于電流型控制系統(tǒng)中存在分諧波不穩(wěn)定的問題，最常用的就是斜率補(bǔ)償，在這個補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ?，講恒定幅值的時變電壓和電流的模擬電壓相加，使加到脈寬調(diào)制器的波形的斜率至少加倍，這樣可以消除分諧波不穩(wěn)定。