开关电源环路补偿的基础知识

首先开关电源的环路补偿基础知识内容涉及广，需要的数理知识比较庞杂。

开关电源是一种典型的反馈控制系统，其有响应速度和稳定性两个重要的指标。响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时，电源能迅速做出调整的速度。因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC，其电流会随着逻辑功能的变化而变化，比如FPGA在进行配置时，电流会增大一倍以上。而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。为了保证电源稳定输出，不产生跌落或者过冲，就要求电源必须迅速做出调整，使得最终输出的电压没有变化。而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。

由于电源加入了反馈系统，就可能发生震荡。如果电源系统的参数没有设置好，就会产生震荡，结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。导致电源不稳定。

开关电源如下图所示：

 

环路测试框图如下所示：

从上图可以看出，环路测试实际上是将干扰信号通过反馈电路注入到误差放大器中，而后查看误差放大器加后级输出环节的级联响应。误差放大器的响应实际上就是该误差放大器的开环增益。所以环路的根本目的如下图所示：

随着一个个频率信号的扫描，最终将各个频道的环路增益绘制在一张图上，就会得到一幅很直观的频域特性图。

最终环路特性曲线如下图所示：

根据这张图，我们就可以判断电源设计是否稳定，是否有优化的空间。曲线的稳定性判定标准如下：

穿越频率：建议为开关频率的5%到20%，过高则不稳定，过低则响应速度过慢。

相位裕度：要求一定要大于45°，建议45°到80°。穿越斜率（0dB附近）：要求为单极点穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍频。

增益裕度：建议大于10dB。

一般可从以下三个原则判定电源环路稳定性:

(1)、在室温和标准输入、正常负载条件下，闭环回路增益为0dB(无增益)的情况下,相位裕度是应大于45 度；如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度不应小于30度。

(2)、同步检查在相位接近于0deg时,闭环回路增益裕度应大于7dB，为了不接近不稳定点，一般认为增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同时依据测试的波特图对电源特性进行分析，穿越频率按20dB/Dec闭合，频带宽度一般为开关频率的1/20～1/6。

如果有环路分析仪，就好说了，低温条件下，典型输入典型输出，测开环Bode图，按照上述评判标准进行判断就可以了。

干扰信号具体要如何注入到误差放大器呢，误差放大器的开环增益都非常大，都有60db左右。那么为了不使误差放大器输出饱和，输入信号必须在-50dbm左右，大概2mv左右，这个信号幅度太小，产生过于困难，一般的电磁噪声信号都要高过这个信号的幅度。显然这样直接注入是不可行的。为了能够成功注入干扰信号，我们需要利用反馈来进行。

注入点如何选择

选择注入点，有一个比较简单的方法，对于电压源就是找设计电路时，用来计算电压的那两个电阻。设计电路时是按哪个电阻来调整输出的，就加到哪个电阻上。对于电流源，也与电压源大致相同，不过电流源中一般是没有R1或者R2，只要将注入电阻放在反馈电电路之后就可以了。

以下是几种典型电路的注入点实例。

1、非隔离电压环路：

2、隔离电压环路：

3、隔离电流环路：

问题是：我们中小企业往往没有足够的测试条件。在没有测试波特图的条件情况下，我们如何分析和判断环路稳定性呢？

若没有环路分析仪，就通过输出动态负载响应进行判断，测试条件：规格书标定的最低温度运行（如-25℃），额定输入电压，输出不要额外挂电容，负载进行半载---满载---半载切换（一般电流变化率可按照工业电源的标准0.1A/us的变化率设定），若此时输出动态响应能做到这个样子，基本就能判定环路很稳了：

如果电源环路不稳定，会表现为：

动态响应振荡

Phase点的jitter

对于典型的PWM开关电源，如果phase点jitter太大，通常系统会不稳定（就是之前提到的相位裕量不足，在动态负载情况下，时域的表现），对于200~500K的PWM开关电源，典型的jitter值应该在1ns以下。

本质为：开关占空比不稳定