在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要，它直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能與可靠性。電源環(huán)路穩(wěn)定性作為衡量電源性能的關(guān)鍵指標(biāo)，影響著電源能否為負(fù)載提供穩(wěn)定、純凈的電能。不穩(wěn)定的電源環(huán)路可能導(dǎo)致輸出電壓波動、紋波增大，甚至引發(fā)系統(tǒng)振蕩，從而影響電子設(shè)備的正常工作，因此，準(zhǔn)確評價電源環(huán)路穩(wěn)定性具有重要意義。

評價指標(biāo)

相位裕度

相位裕度是指增益降到 0dB 時所對應(yīng)的相位與 - 180° 之間的差值。在負(fù)反饋系統(tǒng)中，控制放大器有意引入 180° 相移，而實際電路中因開關(guān)延時、電抗等因素會產(chǎn)生額外相移。當(dāng)總相移達(dá)到 360° 且增益為 1(0dB)時，系統(tǒng)可能產(chǎn)生自激振蕩。相位裕度用于衡量系統(tǒng)在達(dá)到不穩(wěn)定點(diǎn)之前的相位余量。工程上，一般要求在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，環(huán)路的相位裕度大于 45°，以確保系統(tǒng)在各種誤差和參數(shù)變化時仍能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載特性或輸入電壓變化較大時，需保證在所有負(fù)載狀況及輸入電壓范圍內(nèi)，環(huán)路相位裕度大于 30°。相位裕度不僅能保證系統(tǒng)的 “小信號穩(wěn)定”，在負(fù)載階躍變化時，還對阻尼變換器的動態(tài)過程起著重要作用，同時可確保元器件參數(shù)變化時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

增益裕度

增益裕度是指相位為 0° 時所對應(yīng)的增益大小(實際為衰減)。其反映了控制系統(tǒng)在保持穩(wěn)定的條件下，所能承受的最大增益擾動。當(dāng)系統(tǒng)相位達(dá)到 - 180° 時，如果此時增益為 1(0dB)，系統(tǒng)將處于臨界不穩(wěn)定狀態(tài)。增益裕度表示此時增益與 1(0dB)之間的距離，該距離越大，系統(tǒng)對增益變化的容忍度越高，穩(wěn)定性也就越好。在實際設(shè)計中，特別是反激變換器的設(shè)計，增益裕度是需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。通常認(rèn)為，為保證系統(tǒng)遠(yuǎn)離不穩(wěn)定點(diǎn)，增益裕度應(yīng)大于 12dB。

穿越頻率

穿越頻率又稱頻帶寬度，是指增益為 0dB 時所對應(yīng)的頻率值。它反映了控制環(huán)路響應(yīng)的快慢，一般而言，帶寬越寬，電源對負(fù)載動態(tài)響應(yīng)的抑制能力越強(qiáng)，輸出電壓的過沖、欠沖越小，恢復(fù)時間也越快，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。然而，受右半平面零點(diǎn)、原材料特性以及運(yùn)放帶寬限制等綜合因素影響，電源帶寬無法無限制提高。實際應(yīng)用中，電源帶寬一般取開關(guān)頻率的 1/20 至 1/6。

評價方法

奈奎斯特圖法

奈奎斯特準(zhǔn)則是評估線性負(fù)反饋環(huán)路系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本原始概念。以反饋系統(tǒng)開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù) T (s) 為基礎(chǔ)，當(dāng)頻率 ω 從 0 變化到無限時，在 Re (T (s)) 和 IM (T (s)) 的復(fù)平面中繪制出 T (s) 的軌跡，即奈奎斯特圖。對于典型的模擬反饋環(huán)路電源，若其開環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)定(無右半平面極點(diǎn))，當(dāng) T (jω) 圖不隨頻率增加沿順時針方向包圍 (-1, 0) 點(diǎn)時，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定;反之則不穩(wěn)定。穩(wěn)定性裕量可通過 T (jω) 圖與 (-1, 0) 點(diǎn)之間的距離來確定，嚴(yán)格意義上使用兩者間最小距離量化穩(wěn)定性裕量。雖然奈奎斯特圖能準(zhǔn)確判斷反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性，但該圖未直觀顯示頻率值，基于極點(diǎn)和零點(diǎn)的傳遞函數(shù)分析與設(shè)計在頻域內(nèi)操作不便。

波特圖法

波特圖由幅度圖和相位圖組成，是一種繪制增益和相移隨頻率變化的簡單方法。幅度圖以頻率的對數(shù)為橫坐標(biāo)，增益以分貝(dB)為單位表示;相位圖以頻率為橫坐標(biāo)，相位以度為單位線性標(biāo)出。波特圖可看作是奈奎斯特圖的另一種直觀表示形式。在波特圖中，相位圖達(dá)到 0dB(x 軸)時的頻率定義為系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬 fBW，此時相位圖與 - 180° 之間的相位差即為相位穩(wěn)定裕量 (PM)，即 PM = 180 + arg (T (jω))，PM≤0 表示系統(tǒng)不穩(wěn)定。相位達(dá)到 - 180° 時對應(yīng)的增益確定增益裕度 (GM)。波特圖的優(yōu)勢在于能明確表示傳遞函數(shù)、極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置及其對增益圖和相位圖的影響，使環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計成為標(biāo)準(zhǔn)流程，廣泛應(yīng)用于線性反饋系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。但需注意，當(dāng)奈奎斯特圖與單位圓存在多點(diǎn)相交或接近單位圓時，波特圖對穩(wěn)定性裕量的解讀可能不準(zhǔn)確。

負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析法

通過分析負(fù)載躍變時的瞬態(tài)響應(yīng)波形，也可判斷開關(guān)電源環(huán)路的穩(wěn)定性。測試時，通常采用無感電阻，負(fù)載變化幅度設(shè)定在 10% - 100%，負(fù)載開關(guān)頻率可調(diào)(在獲得理想響應(yīng)波形條件下，頻率越高越好)，并限定負(fù)載開關(guān)電流變化率。理想的響應(yīng)波形應(yīng)接近最優(yōu)情況，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足，正向和負(fù)向尖峰波形對稱。若響應(yīng)波形出現(xiàn)阻尼振蕩，說明增益裕度和相位裕度小，僅在特定條件下穩(wěn)定;過阻尼響應(yīng)雖穩(wěn)定，但瞬態(tài)恢復(fù)性能欠佳。該方法從大信號響應(yīng)特性角度，對基于小信號分析的波特圖法進(jìn)行補(bǔ)充，全面評估電源環(huán)路穩(wěn)定性。

電源環(huán)路穩(wěn)定性評價指標(biāo)與方法緊密關(guān)聯(lián)，相位裕度、增益裕度和穿越頻率等指標(biāo)從不同維度量化穩(wěn)定性，奈奎斯特圖法、波特圖法及負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析法等為評估穩(wěn)定性提供了有效手段。在實際電源設(shè)計與應(yīng)用中，需綜合運(yùn)用這些指標(biāo)和方法，全面考量系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性，以確保電源為電子設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定的電力支持。