模塊電源可靠性之環路穩定性分析及測試案例

*模塊電源具有高效率、高功率密度，安全，可靠等優點，同時采用模塊組建電源系統具有設計周期短、可靠性高、系統升級容易等特點。**模塊電源越來越廣泛應用在軌道交通、汽車電子、電力系統、工業控制、半導體設備、醫療電子等行業。考慮到各個行業的特殊應用環境，如何保證模塊電源在不同的環境溫度、**輸入電壓、負載及容性負載條件下穩定性，關系到整個應用系統的可靠性。*本文深入的介紹模塊電源環路測試原理、測試方法、及應用，從而更加深入地了解模塊電源系統穩定性。

一、什么是電源控制環路？

模塊電源是一種典型的反饋控制系統，其有響應速度和穩定性兩個重要的指標。模塊電源的響應速度是當負載變化或者輸入電壓變化時，模塊電源能快速地做出調整的速度。在實際應用過程中，模塊電源的負載和輸入電壓都會有一定的波動和變化，為了保證電源穩定輸出，不產生跌落、過沖或關機，要求電源必須迅速做出調節，保證輸出的電壓的進度和穩定性。模塊電源的控制環路響應速度就決定了模塊電源的調整速度。

模塊電源的輸出穩定性由電源的環路反饋系統決定，環路控制電路的元器件性能和參數在不同環境溫度下的參數會有變化，如果模塊電源的控制環路參數設計不合理，電源的輸出就有可能產生震蕩，其表現的結果是輸出電壓上疊加一個固定頻率的波動，從而導致電源不穩定。

圖1. 模塊電源反饋環路示意圖

從模塊電源的反饋環路框圖可以看出，該系統是通過一個反饋電路，將最終輸出的變化反饋給電壓采樣電路（比例電路），經過比例電路的等比例衰減，輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過比較該信號和內部參考信號的差異，來驅動后級PWM調制器等一系列的輸出環節，最終與輸出變化信號相互抵消，從而保證電源工作的穩定性。

那應該如何測量出模塊電源的響應速度和穩定性？根據筆者多年的電源行業經驗，很多工程師在調試中用電子負載的動態跳變的測試，并根據模塊電源動態跳變的輸出響應波形判斷環路的穩定性。這有一定的道理，但是由于電子負載的變化頻率遠遠低于開關電源的開關頻率，輸出動態響應波形不能全面的反應控制環路的穩定性。正確完整的測試方式就是環路分析測試法。環路分析測試法是在反饋回路中注入一定頻率范圍的擾動信號，然后根據電源系統的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調節能力。其環路響應的增益裕量（GM）越高，表面該電源的控制環路對該頻段的抗干擾能力越強。

圖2. 模塊電源控制環路測試示意圖

從上圖可以看出，環路測試實際上是將干擾信號通過反饋電路注入到誤差放大器中，而后查看誤差放大器加后級輸出環節的級聯響應。誤差放大器的響應實際上就是該誤差放大器的開環增益。所以環路的根本目的如下圖所示：

圖3. 模塊電源控制環路測試目的

隨著頻率信號的掃描，最終將各個頻道的環路增益繪制在一張圖上，就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。

模塊電源的穩定性關系到整個應用系統的可靠性，利用波特圖可以看出在不同頻率下系統增益的大小和相位，因此通過波特圖分析環路特性是評估模塊電源是否可靠和穩定的重要手段。

二、電源控制環路模型及關鍵指標

穩定可靠的系統通常是閉環系統，環路控制根據電源的實際輸出與理想輸出的偏差來設計控制算法，力求輸出值逼近設定值。圖4所示為反饋環路控制部分中的運放閉環增益模型，其傳遞函數為：

圖4. 閉環增益模型

模型分析

如果模塊電源中沒有加入反饋控制環路（即圖1中H(s)部分），此時輸出隨輸入的變化而線性變化（通常稱為輸出非調整或固定占空比Un-Regulatedor Fixed Ratio），電源輸出沒有穩壓作用。同理，如果電源的反饋環路設計的不合理，控制環路對負載或輸入電壓的瞬態變化做出及時調整和響應，那么電源輸出的瞬間變化就可能會造成電源系統振蕩和不穩定，從而對應用系統和負載造成不可預期的風險和損壞。

模型中的開環增益G(s)會隨著頻率的增加而減小，同時也與相位有關，因此可以通過分析G(s)H(s)的增益和相位來判斷系統的穩定性。比如：當G(s)H(s)=-1，此時分母為0，即增益是無窮大的。那么任意小的輸入擾動都會引起輸出的無窮大變化，勢必會導致輸出振蕩。

因此，我們可以通過環增益GH的頻率特性來判斷系統的穩定性，波特圖就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。波特圖及相關參數如圖5所示：

圖5. 波特圖及相關參數

波特圖的三個核心指標：

• 穿越頻點：增益為0dB時對應的頻率；
• 相位裕量：增益為0dB時對應的相位差；
• 增益裕量：相位為0°時對應的增益差。
  綜上所知，閉環系統的穩定性可以通過波特圖中的相位裕量，增益裕量，穿越頻點來衡量。在模塊電源開發前期，工程師可以使用仿真軟件進行環路設計仿真和模擬，在開發中后期則可以使用環路分析儀進行實際環路特性的驗證和優化。

三、電源控制環路的波特圖

通過掃頻曲線波特圖，可以直觀地看到整個頻率范圍內的增益和相位變化趨勢，從而非常方便地觀察和分析。環路分析儀實測模塊電源的掃頻曲線如下圖3所示。增益裕量（GM-Gain Margin）和相位裕量（PM-Phase Margin）結果如圖右上側所示。

圖6. 實測模塊電源波特圖曲線

以圖6的DensityPower的DNC60W24S13DP DC/DC模塊電源環路實際測試波特圖為例，可以看出增益和相位曲線比較平滑，穿越頻點（787.83Hz）在該DC/DC模塊電源的合適范圍內，同時相位裕量（76.092°），增益裕量（-40.562dB）也滿足需求，并保證足夠的裕量。

四、電源控制環路穩定性常見問題

問題1：如何通過波特圖來判斷模塊電源工作是否穩定？

模塊電源環路穩定性的判斷依據如下：

• 穿越頻點：建議為開關頻率的5%到20%；
• 相位裕量：要求一定要大于45°；
• 增益裕量： 建議大于6dB（注意，GM是正值，實際測量的增益值為負值）。

問題2：如何正確理解相位裕量、增益裕量、穿越頻率？

相位裕量：

相位裕量是確保在各種復雜條件下（包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、容性負載變化、工作環境溫度溫升等）系統都能夠穩定，模塊電源在額定的輸入電壓范圍、負載范圍、容性負載范圍及工作環境溫度范圍下，要有45°的裕量；相位裕量應保持在一定范圍內，太小或太大都會影響系統對擾動的響應調節能力，建議是45°到80°為合適范圍。

增益裕量：

增益裕量為了不接近不穩定點，模塊電源在額定的輸入電壓范圍、負載范圍、容性負載范圍及工作環境溫度范圍下，要求增益裕量6dB以上。

穿越頻率：

穿越頻率點頻帶寬度的大小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、下跌越小，恢復時間也就越快，電源的環路控制更穩定。但是由于受到右半平面零點的影響，以及開關頻率等其他因素的限制，模塊電源的帶寬不能無限制提高，一般取開關頻率的1/20到1/5。

五、電源控制環路穩定性的測試

1 **、**測試信號注入原理

測試信號具體要如何注入到誤差放大器呢，誤差放大器的開環增益都非常大，都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和，輸入信號必須在-50dbm左右，大概2mv左右，這個信號幅度太小，產生過于困難，一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號，我們需要利用反饋來進行。

我們可以通過將反饋電路和采樣電路斷開，將信號串入反饋電路和采樣電路之間。注入測試信號(擾動信號)通過一個隔離變壓器，將擾動信號變成一個電流信號，在注入電阻兩端產生一個額外的壓差Vfg，而由于運放負反饋的特性，此時誤差放大器會通過輸出來盡量調節使得運放正負端的電壓相等。這樣就會最終在輸出級產生一個△Vout，用來抵消注入電阻兩端的格外壓差Vfg。如果誤差放大器開環增益無限大的話，Vfg則會與△Vout完全相等。但是由于誤差放大器開環增益是有限的，就會最終導致產生一個△Vin，△Vin = Vfg - △Vout。而△Vin和△Vout的比例，就是整個環路的增益了。具體電路如下圖所示：

圖7. 控制環路測試信號注入示意圖

**2、**信號注入點

在電壓反饋型的模塊電源電路中，測試信號注入點為反饋回路的取樣點與輸出電壓點之間。要辨別采樣點比較簡單，只需觀察反饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。

**A) **非隔離型電壓反饋環路：

圖8. 非隔離型電壓反饋環路測試信號注入方式示意圖

B) 隔離型電壓反饋環路：

圖9. 隔離型電壓反饋環路測試信號注入方式示意圖

C) 隔離型電流反饋環路：

圖10. 隔離型電流反饋環路測試信號注入方式示意圖

注意：信號注入電阻建議選擇5到50歐的電阻，該范圍值的電阻在反饋電路中影響不大，推薦在電源系統設計時就提前預留此電阻，以便后續驗證測試。

**3、**注入信號幅度調節

注入信號的幅度經驗值可設為輸出電壓的5%。如果幅度不能過小，環路分析儀可能無法識別；過大則可能使系統出現非線性導致測量失真。另外環路分析功能還具備分段幅值的設置功能。

**4、**掃描頻率范圍設定

如上所述，環路控制系統的穿越頻點大致為開關頻率的1/20到1/5左右，因此掃頻范圍應設在穿越頻點附近的范圍，在這個范圍內，一般可以找到環路的穿越頻點。注意：環路系統穿越頻點不能過低，否則環路無法響應高頻的負載波動，從而引起輸出電壓的噪聲。

**5、**測試探頭的選用

由于注入信號幅度微弱，推薦選用1X衰減的探頭測試（50Ω阻抗BNC頭 屏蔽線）。若使用10X，則信號衰減后很容易被噪聲信號干擾導致測量的準確性問題。

**6、**PM/GM顯示值

環路掃頻結束后會計算PM和GM值，GM值是當相位曲線第一次穿越0°時的頻率點，0db與該頻率點的增益測量值的差值，即GM=0db - 增益測量值@相位第一次穿越0°的頻點，因此正常情況下該頻點的增益測量值為負值，GM值為正值。而PM值為增益曲線第一次穿越0db的頻點對應的相位測量值與0°的差值，如果該頻點之前相位曲線存在360°的翻轉，則PM值會在0db頻點的相位測量值的基礎上加上翻轉相位值。

總結：

模塊電源控制環路測試可以清晰準確的測試出模塊電源的穩定性和響應速度，對模塊電源可靠性設計有很重要的意義。