電源環路穩定性評價指標和評價方法

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一、環路穩定性評價指標

衡量開關電源穩定性的指標是相位裕度和增益裕度。同時穿越頻率，也應作為一個參考指標。

(1) 相位裕度是指：增益降到0dB時所對應的相位。

(2) 增益裕度是指：相位為0deg時所對應的增益大小(實際是衰減)。

(3) 穿越頻率是指：增益為0dB時所對應的頻率值。

相位裕度，增益裕度，穿越頻率，如圖（波特圖）所示。

相位容限即相位裕度，增益容限即增益裕度。

二、開關電源控制環路穩定性驗證

開關電源環路的頻響特性，如果電源的負載特性在某一頻率下增益等于1(0dB)且相移量為180°時，那么電源控制環路將因出現同相正反饋(此相移量加原設定180°相移，總相移量為360°)，因而有足夠能量返回系統，并在此頻率下維持振蕩。為避免電源系統出現類似破壞性的不穩定現象，通常情況下，環路控制電路都會采用反饋補償組件來降低高頻端的增益，使得開關電源在預設頻率范圍內都保持穩定。

環路穩定性測試接線圖如圖2所示，將信號電阻（Inserted Resistor ）接入電源的環路控制電路中，注入一特定幅度和頻率范圍的掃頻干擾信號(OUT)，當干擾信號達到一定的幅度時，環路系統便對干擾信號有所響應，然后使用頻率響應分析儀對電源環路輸出端(CH2)和電源環路干擾信號注入端(CH1)同時進行比值跟蹤測量，則可以得出頻率與增益和相位的關系曲線圖——波特曲線圖（Bode Plot Graph)，如圖1所示。

在實際測試過程中應注意的環節是注入電阻的位置，以及阻值大小。為了減小測量誤差，實測一般選取10～100Ω的電阻；干擾信號的大小一般要求其幅度不能超過輸出電壓的5%，否則測出來的結果是不準確的。

環路穩定性測試接線圖

三、環路穩定性評價指標

工程中一般認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環路的相位裕量要求大于45°，以確保系統在各種誤差和參數變化情況下的穩定性。當負載特性、輸入電壓變化較大時，需考慮在所有負載狀況下以及輸入電壓范圍內的環路相位裕量應大于30°。

穿越頻率，又稱為頻帶寬度，頻帶寬度的大小可以反映控制環路響應的快慢。一般認為帶寬越寬，其對負載動態響應的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復時間也就越快，系統從而可以更穩定。但是由于受到右半平面零點的影響，以及原材料、運放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關頻率的1/20～1/6。

綜合以上，一般可從以下三個原則判定電源環路穩定性:

(1)、在室溫和標準輸入、正常負載條件下，閉環回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應大于45 度；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應小于30度。

(2)、同步檢查在相位接近于0deg時,閉環回路增益裕度應大于7dB，為了不接近不穩定點，一般認為增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同時依據測試的波特圖對電源特性進行分析，穿越頻率按20dB/Dec閉合，頻帶寬度一般為開關頻率的1/20～1/6。

如果有環路分析儀，就好說了，低溫條件下，典型輸入典型輸出，測開環Bode圖，按照上述評判標準進行判斷就可以了。

問題是：中小企業往往沒有足夠的測試條件。在沒有測試波特圖的條件情況下，我們如何分析和判斷環路穩定性呢？

若沒有環路分析儀，就通過輸出動態負載響應進行判斷，測試條件：規格書標定的最低溫度運行（如-25℃），額定輸入電壓，輸出不要額外掛電容，負載進行半載---滿載---半載切換（一般電流變化率可按照工業電源的標準0.1A/us的變化率設定），若此時輸出動態響應能做到這個樣子，基本就能判定環路很穩了：

Phase點的jitter

對于典型的PWM開關電源，如果phase點jitter太大，通常系統會不穩定（就是之前提到的相位裕量不足，在動態負載情況下，時域的表現），對于200~500K的PWM開關電源，典型的jitter值應該在1ns以下。

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