電源環路穩定性分析

環路分析的測試原理主要是給開關電源電路注入一個頻率變化的正弦信號，測量開關電源在頻域上的特性，通過分析增益余量和相位余量來判斷環路是否穩定，可以為電子工程師設計穩定的控制電路提供直觀的數據。

    相比傳統的測試方法，比如：采用電子負載對開關電源產品進行不同電壓或電流下的工作狀態，甚至采用不同電流斜率的動態負載來測試開關電源的工作狀態。環路分析的測量方式可以大大減少環路穩定性的驗證周期，而且具備直觀的伯德圖數據。

     開關電源的穩定性關系到整個應用系統的可靠性，利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統增益的大小和相位，通過伯德圖來對開關電源的環路穩定性進行判斷和分析已經成為評估開關電源可靠性*的方法。

   在研發期間反復的修改和調試電路時，環路分析可以提供直觀的數據對比，同時測量非常便捷，能快速的判斷系統是否達到穩定狀態，增強工程師對設計產品的信心。

用什么儀器來進行環路測試呢？

1、用網絡分析儀，代價昂貴

2、用專門的環路分析儀，低價比網路分析儀相對便宜。

3、用示波器加信號源加注入變壓器，代價低(用泰克MDO示波器做環路分析)

衡量開關電源穩定性的指標是相位裕度和增益裕度。同時穿越頻率，也應作為一個參考指標。

(1) 相位裕度是指：增益降到0dB時所對應的相位。

(2) 增益裕度是指：相位為0deg時所對應的增益大小(實際是衰減)。

(3) 穿越頻率是指：增益為0dB時所對應的頻率值。

相位裕度，增益裕度，穿越頻率，如圖（波特圖）所示

開關電源控制環路穩定性驗證

   開關電源環路的頻響特性，如果電源的負載特性在某一頻率下增益等于1(0dB)且相移量為180°時，那么電源控制環路將因出現同相正反饋(此相移量加原設定180°相移，總相移量為360°)，因而有足夠能量返回系統，并在此頻率下維持振蕩。為避免電源系統出現類似破壞性的不穩定現象，通常情況下，環路控制電路都會采用反饋補償組件來降低高頻端的增益，使得開關電源在預設頻率范圍內都保持穩定。

    環路穩定性測試接線圖如圖2所示，將信號電阻（Inserted Resistor ）接入電源的環路控制電路中，注入一特定幅度和頻率范圍的掃頻干擾信號(OUT)，當干擾信號達到一定的幅度時，環路系統便對干擾信號有所響應，然后使用頻率響應分析儀對電源環路輸出端(CH2)和電源環路干擾信號注入端(CH1)同時進行比值跟蹤測量，則可以得出頻率與增益和相位的關系曲線圖——波特曲線圖（Bode Plot Graph)，如圖1所示。

   在實際測試過程中應注意的環節是注入電阻的位置，以及阻值大小。為了減小測量誤差，實測一般選取10～100Ω的電阻；干擾信號的大小一般要求其幅度不能超過輸出電壓的5%，否則測出來的結果是不準確的。

環路穩定性評價指標

    工程中一般認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環路的相位裕量要求大于45°，以確保系統在各種誤差和參數變化情況下的穩定性。當負載特性、輸入電壓變化較大時，需考慮在所有負載狀況下以及輸入電壓范圍內的環路相位裕量應大于30°。

    穿越頻率，又稱為頻帶寬度，頻帶寬度的大小可以反映控制環路響應的快慢。一般認為帶寬越寬，其對負載動態響應的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復時間也就越快，系統從而可以更穩定。但是由于受到右半平面零點的影響，以及原材料、運放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關頻率的1/20～1/6。

綜合以上，一般可從以下三個原則判定電源環路穩定性:

(1)、在室溫和標準輸入、正常負載條件下，閉環回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應大于45 度；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應小于30度。

(2)、同步檢查在相位接近于0deg時,閉環回路增益裕度應大于7dB，為了不接近不穩定點，一般認為增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同時依據測試的波特圖對電源特性進行分析，穿越頻率按20dB/Dec閉合，頻帶寬度一般為開關頻率的1/20～1/6。