多环开关电源增益分析与稳定性评估

1、多环开关电源系统的稳定性分析作者：Stphanie Conseil, Nicolas Cyr, Christophe BASSO安森美半导体公司目录：环路稳定性分析通常从开环波特图开始，先提取出相位和增益数据，然后是确认补偿器结构，最后是分析总环路增益及补偿器之前的电源部分，确保环路闭合时补偿器上的极点/零点能够保持稳定。本文探讨了将这种技术运用于含多路反馈通道的电源转换器的不同方法。采用简单的数学运算整合单独测量的环路结果方法能适合各种应用场合。测量多环开关电源的频率响应可说是一项艰巨的挑战，尤其是在所有稳压电路都处于次级时。环路稳定性分析通常从被研究的电源部分的开环波特图开始。据此设计人员

2、能够提取出感兴趣的频率范围内的相位和增益数据。然后是确认补偿器结构，可以生成受正确相位裕量影响的选定交叉频率。最后研究总环路增益及补偿器之前的电源部分，证明一旦环路闭合补偿器上的极点/零点能够确保稳定。涉及实现加权反馈的转换器时，这种操作将变得非常复杂。本文将探讨这种技术运用于含多路反馈通道的电源转换器的不同方法。用TL431构建的多环系统TL431能够单独被建模为一个多环反馈系统。图1采用经典2类配置连线的TL431。从这个原理图可以识别所谓的慢通道(slow lane和快通道(fast lane。 Primary sideSecondary side图1：采用经典配置连线的TL431，可观

3、测转换器的直流电压。1. 快通道 2. 慢通道 3. 初级 4. 次级这种系统的环路增益可以通过在初级反馈点处(如光耦集电极断开环路进行测量。遗憾的是，根据转换器配置的不同，这种解决方案有时候很难实现。最好的做法是从次级测量环路增益。然而，在某些应用中，通常会在快通道输入和慢通道输入之间插入1个LC 滤波器，以消除有害的通常来自反激式转换器的高频尖峰脉冲(图2。 图2： LC滤波器将两个通道分离开来。在这种配置情况下，交流激励信号将在两条通道之间分离，从而导致错误的结果。幸运的是，由于这是线性系统，因此能够运用叠加原理。首先扫描慢通道，同时保持快通道连接至与输出电压完全断开的某个偏置电平。可以

4、采用外部电源提供直流电压，如图3a 所示。Vout 图3a：快速通道在交流特性上是与电路断开的，只是慢通道接收激励信号。5V 电源的精度此时并不重要，因为它仅用于偏置目的。交流电源实际上代表着通常用于环路稳定性研究的注入变压器。探头A 和B 连接至网络分析仪，由网络分析仪计算1020B log A (1，并显示等于(121G s sR C (2的环路增益。在保存了这个波特图之后，这种配置需要改变到其它输入端，如图3b 建议的那样。在图3b 所示电路中，上面的R 2端子连接至直流电压，其电压值必须等于稳压电压，尽管这时的快通道输入处于交流扫描状态。由于TL431引起的开环增益以及外部偏置的敏感度

5、问题，直流调节可能会有点困难。网络分析仪仍将为快通道计算出 1020B log A ，但这次它得出的环路增益等于(1G s 。 图3b：这里的快通道处于交流扫描状态，慢通道采用的是简单直流偏置。将信号组合在一起一旦在屏幕上获得慢通道和快通道的环路波特图，该如何将它们组合起来呢？能否只将增益和相位图相加，并分别采用dB 和度来表示？当然不行，因为这种方法只适用于级联增益模块，但不适用于并行通道。需要将两个输出信号进行矢量相加，并重构最终信号，使其能够表述两个环路的组合。这样，在欧拉(Euler符号的帮助下，可以通过受模数A 1和相位1影响的旋转矢量来表述慢通道信号：(, 111cos sin o

6、ut slow V A j =+uuuuuur(3使用类似的符号，可以得出下面的快通道表达式：(, 222cos sin out fast V A j =+uuuuuu r(4为了对组合这些信号(一旦所有环路闭合后在反馈引脚上观测到的信号的最终增益曲线进行重构和绘图，需要分离两条通道的实数和虚数部分，并将它们相加：(1122Re cos cos FB V A A X =+=uuu r(5(1122Im sin sin FB V A A Y =+=uuu r(6最后获得的旋转矢量将是下面的形式：www.eetchina .comFB V X jY =+(7从中可以提取出模数和辐角：FB =uuu

7、 r (81arg tan FB Y V X =uuu r (9根据对等式8进行20log 10求解的结果和等式9返回的相位进行绘图就可以得出所期望的波特图。将网络分析仪与数据组合在一起的一个真实案例为了验证假设的有效性，本文基于传统的UC3843控制器构建了一个65 W电源。该电源的内部运算放大器通过上拉电阻连接至参考电压而被禁用。图4就是这个65 W电源的原理图：T186H-62320.18 : 1 : 0.25 图4：基于UC3843控制器并在次级采用TL431的19V/3A电源适配器原理图。先开始扫描慢通道，而快通道通过直流电压源偏置至19 V(输出电压值，如图5a 所示。www.ee

8、tchina .comLfilt 图5a：慢通道单独偏置，第二个环路采用交流扫描。注入电压源采用1个宽带隔离器件和1个33电阻来实现。电压探头用于测量相对于地的环路输入和输出信号。网络分析仪直接计算1020log Ch B Ch A 。图5b 给出了相应的波特图。 -100-80-60-40-200204060801001. 05Fr eq (Hz482684图5b：用网络分析仪获得的慢通道环路响应。鉴于(R upper = R 12+R 10, C zero = C 6所形成的原极点，慢通道环路增益起始斜率为-1。功率级极点频率f p 约为20 Hz，对应于：1p load outf R C

9、 =，其中是R load 是输出负载电阻，C out是电容C 5a 和C 5b 之和。经过极点频率f p 之后，功率级增益以-2的斜率下降，直至它达到由2类补偿器的(R pullup , C pole 所形成的8 kHz极点：12pc pullup pole f R C =。至此已获得了慢通道环路波特图，接下来就能够将网络分析仪数据导出至电子表格。该表格共有3列，分别是频率(Hz、幅值(dB和相位(度。然后使用欧拉符号即可计算出慢通道矢量的实数和虚数部分：(, 11111cos sin out slow V A j x j y =+=+uuuuuur(10电子表格将计算下列等式：1/20111

10、0cos 180A x =(11a 和1/201110sin 180A y =(12a对应这些等式的电子表格语法是：(11110; /20PI(/180x POWER A COS = (13(11110; /20PI(/180y POWER A SIN =(14在完成慢通道测量后，还必须针对快通道环路进行相同的操作。先向快通道注入交流信号，同时慢通道断开与输出电压的连接，并采用直流电压源进行偏置。这个直流电压必须手动调节以固定对应于所采用的输出负载的工作点。由于TL431对微小的电压变化非常敏感，可以在直流源和电阻分压器之间使用一个电阻来调节输出电压(见图6a。 图6a：针对快通道扫描，慢通道

11、要从转换器输出端进行交流去耦。图6b 详细给出了快通道环路响应。功率级极点频率f p 约为20 Hz，对应于：1p load outf R C =。经过f p 之后，功率级增益以-1的斜率下降，直到它达到由2类补偿器的(R pullup , C pole 所形成的8kHz 极点：12pc pullup pole f R C =。在图4所示原理图中，C pole 对应C 11，而上拉电阻R pullup 对应的是R 7。 -100-80-60-40-200204060801001. 05Fr eq (Hz180144108723662840图6b：利用网络分析仪获得的快通道环路响应，慢通道采用直

12、流电源进行外部偏置。一旦网络分析仪数据导出至电子表格，就可以计算快通道环路矢量的实数和虚数部分：2/202210cos 180A x =(11b2/202210sin 180A y =(12b然后将实数和虚数部分相加，获得总环路矢量： (2121FB V x x j y y X jY =+=+uuu r(15最后，通过在电子表格中输入公式8和9，就可以提取出最终环路增益和相位：(2022;10gain Loop LOG SQRT X Y =+ (16(/phase Loop DEGREES ATAN Y X =(17图7是重构的环路增益和相位波特图。L o o p g a i n a n d

13、p h a se 10100100010000100000Fr e q (H z 图7：结合从各个单个环路测量中获得的信息得到的最终波特图。1. 环路增益和相位2. 最终Mag 3. 最终相位正激转换器上的加权反馈可以在多输出电源中运用相似的方法。在这种多输出电源应用中，两个不同电压输出采用公共的TL431并使用加权和配置进行稳压(见图8。在考虑了反馈中每路输出的相对加权值情况下，可以计算将每个输出连接至TL431参考引脚的电阻。Vout 2Vout 1 Primary sideSecondary side图8：采用两路输出加权反馈配置连线的TL431。通过将加权值应用于精度或负载约束比其它路

14、更为重要的特定输出，这种技术提供了一种改善多输出转换器中交叉稳压问题的方法。当然，所有加权值之和最后必须等于100%。在ATX 电源领域，在所谓的“银盒”中经常会遇到加权反馈现象，图13给出了这种转换器的简化双路输出版本。在这个双开关正激转换器中，两路输出(5V和12V 也会通过各自输出电感耦合。每路输出在采用了具有2类补偿特性的TL431的控制环路中各占50%。 1u图9：采用TL431进行加权反馈的双开关正激电源原理图。需要测量的环路有两个：一个是观测+12V输出的快通道和慢通道组合，另一个是通过慢通道进入TL431的+5 V环路。前面已经提到，在控制器的反馈输入端测量环路并不实际。要正确

15、地测量反馈环路的增益和相位，必须在低阻抗节点(在电源输出端和高阻抗节点(在控制端之间注入交流激励信号。当如上所述(即在电源输出和反馈电路之间的交流激励注入完成时，状况将得到优化：观测点的输出阻抗低，而反馈通道的输入阻抗高。但如果想要将光耦合器和控制器反馈引脚之间的环路打开，状况就不太有利了：光耦合器的输出阻抗高(这是共射极配置中的上拉电阻，而反馈(FB引脚的输入阻抗有时会受内部分压器或上拉电阻(本例中上拉电阻为5k的影响。虽然仍有可能使用分立缓冲器，如图10所示，但它很明显会使设置复杂化。然而，这种方法毕竟起作用，我们记录下了测量结果以供参考。 图10：NPN缓冲器允许在初级进行环路测量。根据

16、上述介绍，接下来将单独测量两个环路中的一个，同时采用外部直流电源对另一个环路进行偏置，就象之前所做的那样。各个测量结果如图11和图12所示。最后，采用Excel 电子表格整合这两个测试结果得到图13所示的结果。 图11：采用网络分析仪获得的快通道和12V 慢通道环路响应。 Gain (dB 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 10 100 1000 10000 5 V slow lane gain 5 V slow lane phase Phase 180 135 90 45 0 -45 -90 -135 -180 100000 图 12：采用网络分析仪获得的 5 V 慢通道响应。 正如预料的那样，双环测量如今在整个频率范围内都有效，低频时的增益呈-20dB/10 倍频的恒定斜率变化，而相位在交叉频率之后保持下降。为了验证这种方法的有效 性，在图 13 中增加了使用图 10 中 NPN 缓冲器所获得的测量结果。从图 13 可以看出， 交叉频率邻近处的增益和相位曲线非常相似。 Combined loops - gain NPN buffer - gain Combined