1.前言
在本系列的第一部分中，我說過開關(guān)電源 (SMPS) 不穩(wěn)定的原因有很多，其中只有一個(gè)是控制環(huán)路的增益或相位裕度不足。在篇文章中，我將提供一些有關(guān)識別和解決峰值電流模式 (PCM) 控制的 SMPS 系統(tǒng)中的次諧波振蕩的技巧，并簡要討論輸入濾波器振蕩。
2.次諧波振蕩
當(dāng)連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PCM 控制環(huán)路以大于 50% 的占空比運(yùn)行時(shí)，存在眾所周知的固有不穩(wěn)定性，如圖 1 所示。 不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)、過渡模式 (TM)、平均值電流模式 (ACM) 和電壓模式控制 (VMC) 系統(tǒng)不易受此類不穩(wěn)定性的影響。但要小心——因?yàn)?DCM、TM、ACM 和 VMC 系統(tǒng)在電流限制下運(yùn)行時(shí)通常使用 PCM 控制。
圖 1：次諧波振蕩
3準(zhǔn)諧振電路
將準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于開關(guān)電源中，以減少或消除頻率相關(guān)開關(guān)損耗，從而提高效率，降低器件的工作溫度。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在低功耗下產(chǎn)生更高的損耗，這一缺點(diǎn)被幾乎所有現(xiàn)代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準(zhǔn)諧振變換器通常包含L-C網(wǎng)絡(luò)，其電壓和電流在開關(guān)期間呈正弦變化。現(xiàn)在考慮經(jīng)典的buck轉(zhuǎn)換器方案，如圖2所示。為了方便起見，包含MOSFET晶體管的開關(guān)電路已用“開關(guān)網(wǎng)絡(luò)”塊表示。
圖2：一個(gè)典型的buck轉(zhuǎn)換器的示意圖
在圖3中，我們可以觀察到“交換網(wǎng)絡(luò)”塊的兩種不同配置。第一種對應(yīng)于由PWM信號控制的傳統(tǒng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，另一方面，由于L-C網(wǎng)絡(luò)的引入，電路增加了準(zhǔn)諧振功能。零電流開關(guān)是這些變換器的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)樗梢詼p少開關(guān)損耗。此外，準(zhǔn)諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。
圖3：準(zhǔn)諧振buck變換器
3.診斷與解決
次諧波振蕩表現(xiàn)為周期與周期之間占空比的大變化。它們通常會(huì)持續(xù)存在，因?yàn)槠骄伎毡热匀淮笥?50%，但如果負(fù)載變化導(dǎo)致控制器以超過 50% 的占空比運(yùn)行幾個(gè)周期，它們可能會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)。還值得注意的是，如果沒有斜率補(bǔ)償，隨著占空比增加到 50%，電流擾動(dòng)需要越來越長的時(shí)間才能消失。以下是我們可能會(huì)看到的行為的簡短列表。
· 當(dāng)占空比小于 50% 時(shí)，問題會(huì)消失嗎？如果是這樣，解決方案是校正斜率補(bǔ)償量。
· 增加電感值，以便我們需要更慢的斜率補(bǔ)償斜坡。
· 降低環(huán)路帶寬——如果出現(xiàn)次諧波振蕩，超過開關(guān)頻率四分之一的環(huán)路帶寬會(huì)變得不穩(wěn)定。
· 在某些情況下，可以更改變壓器匝數(shù)比或 SMPS 的工作范圍，使其永遠(yuǎn)不會(huì)超過 50% 的占空比。
4.輸入濾波器振蕩
大多數(shù)電源為其輸入提供恒定的功率負(fù)載，因此具有負(fù)的增量輸入電阻。這意味著輸入電流會(huì)隨著輸入電壓的增加而減少。在離線功率因數(shù)校正 (PFC) 階段，電流控制環(huán)路強(qiáng)制系統(tǒng)在線路頻率下模擬正電阻，以便輸入電流遵循輸入電壓的正弦形狀。但是負(fù)輸入電阻行為出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉之外的頻率上。
DC/DC 和離線 AC/DC 轉(zhuǎn)換器通常具有某種形式的輸入濾波器，如圖 4 所示。該濾波器是滿足傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 要求所必需的，但如果設(shè)計(jì)不正確，它可能會(huì)在某些情況下發(fā)生振蕩。這個(gè)話題在文獻(xiàn)中被廣泛討論，但總結(jié)規(guī)則很簡單：濾波器的輸出阻抗在所有頻率下都必須小于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。
圖 4：典型的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入濾波器，SMPS 輸入阻抗為綠色，無阻尼濾波器輸出阻抗為紅色，阻尼濾波器輸出阻抗為藍(lán)色
5.診斷與解決
識別輸入濾波器振蕩的最簡單方法是通過將輸入濾波器電感短路來移除輸入濾波器。濾波器通常會(huì)在濾波器的一種或另一種諧振下振蕩。這些共振通常在 1kHz 到 10kHz 的范圍內(nèi)，具體取決于濾波器設(shè)計(jì)。治愈輸入濾波器振蕩需要修改輸入濾波器以降低其輸出阻抗，同時(shí)保持其有效性。以下是要嘗試的兩件事：
· 更改 L 和 C 值以降低阻抗。
· 添加阻尼電阻器以降低其諧振頻率處的濾波器阻抗（也稱為 Q 因子）。我們可以比較圖 4中的紅色（無阻尼）和藍(lán)色（阻尼）軌跡。
到目前為止，我已經(jīng)討論了經(jīng)典的反饋環(huán)路不穩(wěn)定性、次諧波振蕩和輸入濾波器振蕩。
