开关电源系统稳定性补偿电路的设计

摘 要： 开关电源系统往往由于电压电流双环控制的使用而导致一些扰动，扰动的产生一定程度上影响着开关电源的稳定性，开关电源系统稳定性状态关键是取决于系统电流是否对扰动如何作出收敛响应，而系统电流收敛的发生一般有两种途径，一是在空占比（D）小于0.5时产生收敛，一是空占比（D）大于0.5时产生收敛，而D小于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会慢慢的衰减一直到零，从而使得系统趋于稳定；D大于0.5时，误差将会逐渐变大，使得系统不能正常工作，造成不稳定状态，因此，在扰动发生之后，通过补偿电路以确保空占比在0.5以下，来确保系统的稳定，将从开关电源系统不稳定性的分析入手，探讨斜波补偿的过程，并提出一些建议。

关键词： 开关电源；稳定性；补偿电路

中图分类号：TP271.61 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210055－02

开关电源中，其核心是DC-DC变换器，DC-DC变换电路能够促使直流电压实现大范围的升、降，并且实现的效率较高、比较容易控制，因此其在工业控制和电力传输等领域中应用广泛。可是，DC-DC变换电路也可能存在一定的偏差，如谐波振荡误差等，产这些偏差将直接影响到电源系统的稳定性。而采取斜波补偿电路将有效改善开关电源系统的稳定性。

1 开关电源系统不稳定现象分析

下面主要分析谐波振荡等引起开关电源系统丧失稳定性的原理和原因。谐波振荡是由峰值电流取样和固定频率同时工作所形成的结果，其发生的原理如下图1所示。当开关电源的输入电压和负载发生变化时，从而会引起开关电源电流发生变化，即发生扰动，在扰动产生后，系统能否趋于稳定的运作，关键在于系统电流是否对扰动如何作出收敛响应。而系统电流收敛的发生一般有两种途径，一是在空占比（D）小于0.5时产生收敛，一是空占比（D）大于0.5时产生收敛。这两种收敛环境下，系统对扰动所表现出的稳定性状态是不同的，如图1所示。

图1 电流DC-DC下的电流谐波振荡

设I0为扰动没有发生时的电感电流初始值，设Δi0为电流上升时产生的扰动量，设Δi1为电流下降时产生的扰动量，设Δd为电感电流占空比发生的扰动量，设m1为电流在上升时所发生的斜率，设m2为电流在下降时所产生的斜率，它们之间的关系式如下：

所以，在m2/m1小于1时，也即D小于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会慢慢的衰减一直到零，从而使得系统趋于稳定；但是，如果m2/m1大于1时，也即D大于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会变得越来越大，从而致使整个开关电源变得不够稳定，系统失去控制，将严重影响着开关电源系统的正常工作，即DC-DC变换电路将不能正常工作，丧失其稳定性。

2 开关电源系统稳定性补偿电路的设计原理

2.1 控制电压斜率调整

由于电感电流在连续状态下，其占空比在百分之五十之下时，从而由扰动所导致的电流误差即ΔI将会在后面的一些周期内实现自动恢复，以实现正常的电流工作状态。可是，如果其电感电流的占空比在百分之五十以上，则在其后的几个周期内，其误差ΔI将不会减小反而有加大的趋势。这主要是因为，电感电流占空比>50%的时候，其电流衰减斜率m2跟上升斜率m1的比值大于1，上面已经说过，在m2/m1>1时，将会引起变换电路出现不稳定性，其发生的振荡将不会自动收敛。因此，解决这种问题的办法主要是要对m2/m1的值进行调整，即对电感电流斜率m1、m2进行补偿，从而实现m2/m1小于1的目的。所以，为了解决D大于0.5所产生的开关电源不稳定问题，应该对电感电流上升时所发生的斜率m1采取斜坡补偿措施，即使m1增大，也就是降低占空比D，使D减小到0.5以下。而使Δi0增加实际上是通过电流反馈的电压值（Vs）增加来实现的，这跟误差放大器的输出电压值（Vc）的减小是一样的，即实际应用中，Vs的增加和Vc的减小效果一样，致使Vs增加可能比Vc的减小更方便而已。主要电路设计应有两种方法，下面将进行论述。

2.2 补偿电路设计

下面对斜率补偿的电路进行设计。

1）控制电压补偿

控制电压补偿主要是在控制电压误差放大器输出电压值（Vc）上设置斜坡补偿电压而构成一个新的控制电压，将其输入到PWM比较器的一端，跟比较器的另一端的电流反馈电压值（Vs）进行比较。其补偿原理如图2所示：

图2 控制电压补偿

其中，设斜坡补偿中的电压斜率为m。通过几何方法从而求得一个周期

此式子表明了控制电压斜坡补偿跟开关电源的稳定性之间所存在的关系，即：① 如果在系统中没有设置斜坡补偿，也就是设m为0，这时，要想保证

开关电源的稳定，其必须使占空比小于0.5；② 如果在系统中设置了斜坡补偿，那么在补偿斜率m大于1/2m2时，即斜坡补偿斜率小于电流下行斜率的二分之一，则无论空占比D为0-1区间的任何取值， 将恒成立，从而表明开关电源始终是趋于稳定的。

2）电感电流补偿

采取电感电流补偿原理主要是在电流反馈Vs处加入斜坡补偿电压，电感电流补偿原理图如图3所示：

图3 电流斜率补偿

电流补偿主要在电流反馈电压值Vs上设置通过振荡器产生的振荡电路波形而形成的补偿电压，从而形成一个补偿后的反馈电压，将其输入到PWM比较器的一端，跟PWM比较器的另一端（设置为控制电压）即Vc进行比较，从而对芯片的占空比进行调控，调控的方法跟上面控制电压补偿中一样。通过电感电流补偿电路跟前面的控制电压补偿电路相比，其效果是相当的，只是看起来，电感电流补偿电路要比控制电压补偿电路简单、方便，因此，笔者推荐电感电流补偿的应用。

3 结束语

总之，开关电源往往因为电压电流双环控制的使用，从而导致一些扰动，如果扰动处理不当将影响到开关电源的正常工作，干扰信号将通过驱动信号输入到环路，从而在输出端形成谐波振荡。谐波震荡的产生一定程度上影响了开关电源系统的稳定性，其应该采取斜率补偿的措施予以纠正。其中可以采取控制电压补偿和电感电流补偿两种措施进行，即将m2/m1控制在1以下或者将D控制在0.5以下。但是，无论是控制电压斜坡补偿，还是电感电流斜坡补偿，其补偿斜率m要大于m2的二分之一，其斜率m越大，那么促使振荡衰减的速度将会越快，可是，补偿斜率m也不能过大，如果过大，将会造成过补偿。过补偿超过开关电源系统中电流限制指标，将会对开关电源系统产生其他影响，使开关电源的带载能力降低；同时，也会影响开关电源的瞬态响应性。笔者建议，在实际操作中，一般将m取值为0.7-0.8m2为最优，其能确保开关电源的稳定性。

参考文献：

[1]刘树林、刘健、钟久明，峰值电流控制变换器谐波补偿电路的优化设计[J].电力电子技术，2010（5）.

[2]朱伟民，开关电源IC的绿色设计[J].电子与封装，2009（1）.

[3]王创社，开关电源两种控制模式的分析与比较，电力电子技术，2010（11）.