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自控,航天,通讯,医疗器械的开关电源稳定性分析

2018-3-25 16:49| 发布者: 维修家园| 查看: 35| 评论: 0

摘要: 随着电子,自控,航天,通讯,医疗器械等技术不断向深度和广度的发展,势必要求为期供电的电源要有更高的稳定性,即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负载响应。而这些因素都和控制环路有关,控制 ...
随着电子,自控,航天,通讯,医疗器械等技术不断向深度和广度的发展,势必要求为期供电的电源要有更高的稳定性,即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负载响应。而这些因素都和控制环路有关,控制环路一般工作在负载状态,称之为电压负反馈。如果变换器中没有用到反馈控制环路(图1中H部分),其传递函数一般为C/R=G,其中G为输入滤波,功率变换、整流滤波部分等因数的乘积(其为级联的形式,所以本文中以总乘积因子G来表示),可以看出输出随输入的变化而成线性的变化,但是由于整流、滤波网络在整个时域的非线性,实际上这种变化应该是近似于线性,所以当输入电源改变的时候并不能很好的气到稳压的作用。如果反馈环路设计的不好,对应负载的瞬态改变,环路就不能做出及时恰当的调整,那么输出电源瞬间会偏高或者偏低,甚至有可能会造成电源系统的振荡,对下一级构成损坏。此时若能够对环路测量就显得很重要了。那么环路部分有是怎么影响整个回路的呢?
  参考DELTA公司AC-DC系列产品,下图表示的反馈环路控制部分中的运放的环增益模型,其传递函数为C/R=G/(1+GH),其中G:开环增益。H:反馈系数。
  一、环增益稳定的标准
  由传递函数C/R=G/(1+GH),放大器的开环增益G是频率的函数,会随着频率的增加而减小,同时也和放大器的相位有关,当GH=-1,则其传递的值为∞,即增益是无穷大的,可以认为任意小的输入扰动都能引起输出的无穷大,如果这种输出无穷大的信号在反馈到功率变换环节,势必会造成最后输出的振荡,整个系统因而不在稳压。所以说可以通过分析GH的增益和相位来判断系统的稳定性。
  又因为当GH=-1时是振荡的,所以有相移∠GH是180°(因为负反馈本身就有180°的相移),回路增益|GH|=1(0dB).所以要使运放稳定需要满足以下条件:
  相位条件就是要其相移小于180°,即要有45°以上的余量,增益条件一般要求有-12dB以上余量。
  2. 穿越频率按20dB/Dec闭合。相关解释下文介绍。
  二、Bode图基础
  我们可以通过环增益GH的频率特性来判断系统的稳定性,而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的频率特性可以用Bode图(图2)来表示,并且系统的稳定性可以通过Bode图中的相位余量(Phase margin),增益余量(gain margin),穿越频率(crossover frequency)来衡量。其中
  相位余量的作用是确保在一定条件下(包括元器件的误差、输入电压变化、负载变化、温升等)系统都能够稳定,使用在标称输入额定负载室温下,要有45度的余量。如果输入电源、负载、温度变化范围非常大,相位余量不应小于30度。增益余量为了不接近不稳定点,一般认为-12dB以上是必要。
  穿越频率频带宽度的大小可以反映控制环路响应的快慢。一般认为宽度越宽,其对负载动态响应的抑制能力就越好,过冲,欠冲越小,恢复时间越就越快,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、运放的带宽不能无穷大等综合因素的限制,电源的带宽也不能无限制的提高,一般取开关频率的1/20~1/6。
  

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