如何讓我們的開(kāi)關(guān)電源更加穩(wěn)定可靠，第二部分

1.前言

在本系列的第一部分中，我說(shuō)過(guò)開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 不穩(wěn)定的原因有很多，其中只有一個(gè)是控制環(huán)路的增益或相位裕度不足。在篇文章中，我將提供一些有關(guān)識(shí)別和解決峰值電流模式 (PCM) 控制的 SMPS 系統(tǒng)中的次諧波振蕩的技巧，并簡(jiǎn)要討論輸入濾波器振蕩。 

2.次諧波振蕩

當(dāng)連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PCM 控制環(huán)路以大于 50% 的占空比運(yùn)行時(shí)，存在眾所周知的固有不穩(wěn)定性，如圖 1 所示。 不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)、過(guò)渡模式 (TM)、平均值電流模式 (ACM) 和電壓模式控制 (VMC) 系統(tǒng)不易受此類不穩(wěn)定性的影響。但要小心——因?yàn)?DCM、TM、ACM 和 VMC 系統(tǒng)在電流限制下運(yùn)行時(shí)通常使用 PCM 控制。

圖 1：次諧波振蕩

3準(zhǔn)諧振電路

將準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中，以減少或消除頻率相關(guān)開(kāi)關(guān)損耗，從而提高效率，降低器件的工作溫度。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在低功耗下產(chǎn)生更高的損耗，這一缺點(diǎn)被幾乎所有現(xiàn)代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準(zhǔn)諧振變換器通常包含L-C網(wǎng)絡(luò)，其電壓和電流在開(kāi)關(guān)期間呈正弦變化?，F(xiàn)在考慮經(jīng)典的buck轉(zhuǎn)換器方案，如圖2所示。為了方便起見(jiàn)，包含MOSFET晶體管的開(kāi)關(guān)電路已用“開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)”塊表示。

圖2：一個(gè)典型的buck轉(zhuǎn)換器的示意圖

在圖3中，我們可以觀察到“交換網(wǎng)絡(luò)”塊的兩種不同配置。第一種對(duì)應(yīng)于由PWM信號(hào)控制的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，另一方面，由于L-C網(wǎng)絡(luò)的引入，電路增加了準(zhǔn)諧振功能。零電流開(kāi)關(guān)是這些變換器的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)樗梢詼p少開(kāi)關(guān)損耗。此外，準(zhǔn)諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。

圖3：準(zhǔn)諧振buck變換器

3.診斷與解決

次諧波振蕩表現(xiàn)為周期與周期之間占空比的大變化。它們通常會(huì)持續(xù)存在，因?yàn)槠骄伎毡热匀淮笥?/span> 50%，但如果負(fù)載變化導(dǎo)致控制器以超過(guò) 50% 的占空比運(yùn)行幾個(gè)周期，它們可能會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)。還值得注意的是，如果沒(méi)有斜率補(bǔ)償，隨著占空比增加到 50%，電流擾動(dòng)需要越來(lái)越長(zhǎng)的時(shí)間才能消失。以下是我們可能會(huì)看到的行為的簡(jiǎn)短列表。

· 當(dāng)占空比小于 50% 時(shí)，問(wèn)題會(huì)消失嗎？如果是這樣，解決方案是校正斜率補(bǔ)償量。

· 增加電感值，以便我們需要更慢的斜率補(bǔ)償斜坡。

· 降低環(huán)路帶寬——如果出現(xiàn)次諧波振蕩，超過(guò)開(kāi)關(guān)頻率四分之一的環(huán)路帶寬會(huì)變得不穩(wěn)定。

· 在某些情況下，可以更改變壓器匝數(shù)比或 SMPS 的工作范圍，使其永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò) 50% 的占空比。

4.輸入濾波器振蕩

大多數(shù)電源為其輸入提供恒定的功率負(fù)載，因此具有負(fù)的增量輸入電阻。這意味著輸入電流會(huì)隨著輸入電壓的增加而減少。在離線功率因數(shù)校正 (PFC) 階段，電流控制環(huán)路強(qiáng)制系統(tǒng)在線路頻率下模擬正電阻，以便輸入電流遵循輸入電壓的正弦形狀。但是負(fù)輸入電阻行為出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉之外的頻率上。

DC/DC 和離線 AC/DC 轉(zhuǎn)換器通常具有某種形式的輸入濾波器，如圖 4 所示。該濾波器是滿足傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 要求所必需的，但如果設(shè)計(jì)不正確，它可能會(huì)在某些情況下發(fā)生振蕩。這個(gè)話題在文獻(xiàn)中被廣泛討論，但總結(jié)規(guī)則很簡(jiǎn)單：濾波器的輸出阻抗在所有頻率下都必須小于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。

圖 4：典型的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入濾波器，SMPS 輸入阻抗為綠色，無(wú)阻尼濾波器輸出阻抗為紅色，阻尼濾波器輸出阻抗為藍(lán)色

5.診斷與解決

識(shí)別輸入濾波器振蕩的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)將輸入濾波器電感短路來(lái)移除輸入濾波器。濾波器通常會(huì)在濾波器的一種或另一種諧振下振蕩。這些共振通常在 1kHz 到 10kHz 的范圍內(nèi)，具體取決于濾波器設(shè)計(jì)。治愈輸入濾波器振蕩需要修改輸入濾波器以降低其輸出阻抗，同時(shí)保持其有效性。以下是要嘗試的兩件事：

· 更改 L 和 C 值以降低阻抗。

· 添加阻尼電阻器以降低其諧振頻率處的濾波器阻抗（也稱為 Q 因子）。我們可以比較圖 4中的紅色（無(wú)阻尼）和藍(lán)色（阻尼）軌跡。

到目前為止，我已經(jīng)討論了經(jīng)典的反饋環(huán)路不穩(wěn)定性、次諧波振蕩和輸入濾波器振蕩。