模块电源可靠性之环路稳定性分析及测试案例

*模块电源具有高效率、高功率密度，安全，可靠等优点，同时采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点。**模块电源越来越广泛应用在轨道交通、汽车电子、电力系统、工业控制、半导体设备、医疗电子等行业。考虑到各个行业的特殊应用环境，如何保证模块电源在不同的环境温度、**输入电压、负载及容性负载条件下稳定性，关系到整个应用系统的可靠性。*本文深入的介绍模块电源环路测试原理、测试方法、及应用，从而更加深入地了解模块电源系统稳定性。

一、什么是电源控制环路？

模块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。模块电源的响应速度是当负载变化或者输入电压变化时，模块电源能快速地做出调整的速度。在实际应用过程中，模块电源的负载和输入电压都会有一定的波动和变化，为了保证电源稳定输出，不产生跌落、过冲或关机，要求电源必须迅速做出调节，保证输出的电压的进度和稳定性。模块电源的控制环路响应速度就决定了模块电源的调整速度。

模块电源的输出稳定性由电源的环路反馈系统决定，环路控制电路的元器件性能和参数在不同环境温度下的参数会有变化，如果模块电源的控制环路参数设计不合理，电源的输出就有可能产生震荡，其表现的结果是输出电压上叠加一个固定频率的波动，从而导致电源不稳定。

图1. 模块电源反馈环路示意图

从模块电源的反馈环路框图可以看出，该系统是通过一个反馈电路，将最终输出的变化反馈给电压采样电路（比例电路），经过比例电路的等比例衰减，输入到误差放大器中。而后误差放大器通过比较该信号和内部参考信号的差异，来驱动后级PWM调制器等一系列的输出环节，最终与输出变化信号相互抵消，从而保证电源工作的稳定性。

那应该如何测量出模块电源的响应速度和稳定性？根据笔者多年的电源行业经验，很多工程师在调试中用电子负载的动态跳变的测试，并根据模块电源动态跳变的输出响应波形判断环路的稳定性。这有一定的道理，但是由于电子负载的变化频率远远低于开关电源的开关频率，输出动态响应波形不能全面的反应控制环路的稳定性。正确完整的测试方式就是环路分析测试法。环路分析测试法是在反馈回路中注入一定频率范围的扰动信号，然后根据电源系统的输出情况来判断其对各个频率干扰的调节能力。其环路响应的增益裕量（GM）越高，表面该电源的控制环路对该频段的抗干扰能力越强。

图2. 模块电源控制环路测试示意图

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：

图3. 模块电源控制环路测试目的

随着频率信号的扫描，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。

模块电源的稳定性关系到整个应用系统的可靠性，利用波特图可以看出在不同频率下系统增益的大小和相位，因此通过波特图分析环路特性是评估模块电源是否可靠和稳定的重要手段。

二、电源控制环路模型及关键指标

稳定可靠的系统通常是闭环系统，环路控制根据电源的实际输出与理想输出的偏差来设计控制算法，力求输出值逼近设定值。图4所示为反馈环路控制部分中的运放闭环增益模型，其传递函数为：

图4. 闭环增益模型

模型分析

如果模块电源中没有加入反馈控制环路（即图1中H(s)部分），此时输出随输入的变化而线性变化（通常称为输出非调整或固定占空比Un-Regulatedor Fixed Ratio），电源输出没有稳压作用。同理，如果电源的反馈环路设计的不合理，控制环路对负载或输入电压的瞬态变化做出及时调整和响应，那么电源输出的瞬间变化就可能会造成电源系统振荡和不稳定，从而对应用系统和负载造成不可预期的风险和损坏。

模型中的开环增益G(s)会随着频率的增加而减小，同时也与相位有关，因此可以通过分析G(s)H(s)的增益和相位来判断系统的稳定性。比如：当G(s)H(s)=-1，此时分母为0，即增益是无穷大的。那么任意小的输入扰动都会引起输出的无穷大变化，势必会导致输出振荡。

因此，我们可以通过环增益GH的频率特性来判断系统的稳定性，波特图就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。波特图及相关参数如图5所示：

图5. 波特图及相关参数

波特图的三个核心指标：

• 穿越频点：增益为0dB时对应的频率；
• 相位裕量：增益为0dB时对应的相位差；
• 增益裕量：相位为0°时对应的增益差。
  综上所知，闭环系统的稳定性可以通过波特图中的相位裕量，增益裕量，穿越频点来衡量。在模块电源开发前期，工程师可以使用仿真软件进行环路设计仿真和模拟，在开发中后期则可以使用环路分析仪进行实际环路特性的验证和优化。

三、电源控制环路的波特图

通过扫频曲线波特图，可以直观地看到整个频率范围内的增益和相位变化趋势，从而非常方便地观察和分析。环路分析仪实测模块电源的扫频曲线如下图3所示。增益裕量（GM-Gain Margin）和相位裕量（PM-Phase Margin）结果如图右上侧所示。

图6. 实测模块电源波特图曲线

以图6的DensityPower的DNC60W24S13DP DC/DC模块电源环路实际测试波特图为例，可以看出增益和相位曲线比较平滑，穿越频点（787.83Hz）在该DC/DC模块电源的合适范围内，同时相位裕量（76.092°），增益裕量（-40.562dB）也满足需求，并保证足够的裕量。

四、电源控制环路稳定性常见问题

问题1：如何通过波特图来判断模块电源工作是否稳定？

模块电源环路稳定性的判断依据如下：

• 穿越频点：建议为开关频率的5%到20%；
• 相位裕量：要求一定要大于45°；
• 增益裕量： 建议大于6dB（注意，GM是正值，实际测量的增益值为负值）。

问题2：如何正确理解相位裕量、增益裕量、穿越频率？

相位裕量：

相位裕量是确保在各种复杂条件下（包括元器件的误差、输入电压变化、负载变化、容性负载变化、工作环境温度温升等）系统都能够稳定，模块电源在额定的输入电压范围、负载范围、容性负载范围及工作环境温度范围下，要有45°的裕量；相位裕量应保持在一定范围内，太小或太大都会影响系统对扰动的响应调节能力，建议是45°到80°为合适范围。

增益裕量：

增益裕量为了不接近不稳定点，模块电源在额定的输入电压范围、负载范围、容性负载范围及工作环境温度范围下，要求增益裕量6dB以上。

穿越频率：

穿越频率点频带宽度的大小反映控制环路响应的快慢。一般认为带宽越宽，其对负载动态响应的抑制能力就越好，过冲、下跌越小，恢复时间也就越快，电源的环路控制更稳定。但是由于受到右半平面零点的影响，以及开关频率等其他因素的限制，模块电源的带宽不能无限制提高，一般取开关频率的1/20到1/5。

五、电源控制环路稳定性的测试

1 **、**测试信号注入原理

测试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。

我们可以通过将反馈电路和采样电路断开，将信号串入反馈电路和采样电路之间。注入测试信号(扰动信号)通过一个隔离变压器，将扰动信号变成一个电流信号，在注入电阻两端产生一个额外的压差Vfg，而由于运放负反馈的特性，此时误差放大器会通过输出来尽量调节使得运放正负端的电压相等。这样就会最终在输出级产生一个△Vout，用来抵消注入电阻两端的格外压差Vfg。如果误差放大器开环增益无限大的话，Vfg则会与△Vout完全相等。但是由于误差放大器开环增益是有限的，就会最终导致产生一个△Vin，△Vin = Vfg - △Vout。而△Vin和△Vout的比例，就是整个环路的增益了。具体电路如下图所示：

图7. 控制环路测试信号注入示意图

**2、**信号注入点

在电压反馈型的模块电源电路中，测试信号注入点为反馈回路的取样点与输出电压点之间。要辨别采样点比较简单，只需观察反馈电压由输出电压的哪条支路分压得到即可。

**A) **非隔离型电压反馈环路：

图8. 非隔离型电压反馈环路测试信号注入方式示意图

B) 隔离型电压反馈环路：

图9. 隔离型电压反馈环路测试信号注入方式示意图

C) 隔离型电流反馈环路：

图10. 隔离型电流反馈环路测试信号注入方式示意图

注意：信号注入电阻建议选择5到50欧的电阻，该范围值的电阻在反馈电路中影响不大，推荐在电源系统设计时就提前预留此电阻，以便后续验证测试。

**3、**注入信号幅度调节

注入信号的幅度经验值可设为输出电压的5%。如果幅度不能过小，环路分析仪可能无法识别；过大则可能使系统出现非线性导致测量失真。另外环路分析功能还具备分段幅值的设置功能。

**4、**扫描频率范围设定

如上所述，环路控制系统的穿越频点大致为开关频率的1/20到1/5左右，因此扫频范围应设在穿越频点附近的范围，在这个范围内，一般可以找到环路的穿越频点。注意：环路系统穿越频点不能过低，否则环路无法响应高频的负载波动，从而引起输出电压的噪声。

**5、**测试探头的选用

由于注入信号幅度微弱，推荐选用1X衰减的探头测试（50Ω阻抗BNC头 屏蔽线）。若使用10X，则信号衰减后很容易被噪声信号干扰导致测量的准确性问题。

**6、**PM/GM显示值

环路扫频结束后会计算PM和GM值，GM值是当相位曲线第一次穿越0°时的频率点，0db与该频率点的增益测量值的差值，即GM=0db - 增益测量值@相位第一次穿越0°的频点，因此正常情况下该频点的增益测量值为负值，GM值为正值。而PM值为增益曲线第一次穿越0db的频点对应的相位测量值与0°的差值，如果该频点之前相位曲线存在360°的翻转，则PM值会在0db频点的相位测量值的基础上加上翻转相位值。

总结：

模块电源控制环路测试可以清晰准确的测试出模块电源的稳定性和响应速度，对模块电源可靠性设计有很重要的意义。