三个原则判定电源环路稳定性-电路图讲解-电子技术方案

1  环路稳定性评价指标

衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。同时穿越频率，也应作为一个参考指标。

(1) 相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。

(2) 增益裕度是指：相位为0deg时所对应的增益大小(实际是衰减)。

(3) 穿越频率是指：增益为0dB时所对应的频率值。

相位裕度，增益裕度，穿越频率，如图（波特图）所示。

相位容限即相位裕度，增益容限即增益裕度。

2  开关电源控制环路稳定性验证

开关电源环路的频响特性，如果电源的负载特性在某一频率下增益等于1(0dB)且相移量为180°时，那么电源控制环路将因出现同相正反馈(此相移量加原设定180°相移，总相移量为360°)，因而有足够能量返回系统，并在此频率下维持振荡。为避免电源系统出现类似破坏性的不稳定现象，通常情况下，环路控制电路都会采用反馈补偿组件来降低高频端的增益，使得开关电源在预设频率范围内都保持稳定。

环路稳定性测试接线图如图2所示，将信号电阻（Inserted Resistor ）接入电源的环路控制电路中，注入一特定幅度和频率范围的扫频干扰信号(OUT)，当干扰信号达到一定的幅度时，环路系统便对干扰信号有所响应，然后使用频率响应分析仪对电源环路输出端(CH2)和电源环路干扰信号注入端(CH1)同时进行比值跟踪测量，则可以得出频率与增益和相位的关系曲线图——波特曲线图（Bode Plot Graph)，如图1所示。

在实际测试过程中应注意的环节是注入电阻的位置，以及阻值大小。为了减小测量误差，实测一般选取10～100Ω的电阻；干扰信号的大小一般要求其幅度不能超过输出电压的5%，否则测出来的结果是不准确的。

环路稳定性测试接线图

3   环路稳定性评价指标

工程中一般认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕量要求大于45°，以确保系统在各种误差和参数变化情况下的稳定性。当负载特性、输入电压变化较大时，需考虑在所有负载状况下以及输入电压范围内的环路相位裕量应大于30°。

穿越频率，又称为频带宽度，频带宽度的大小可以反映控制环路响应的快慢。一般认为带宽越宽，其对负载动态响应的抑制能力就越好，过冲、欠冲越小，恢复时间也就越快，系统从而可以更稳定。但是由于受到右半平面零点的影响，以及原材料、运放的带宽不可能无穷大等综合因素的限制，电源的带宽也不能无限制提高，一般取开关频率的1/20～1/6。

综合以上，一般可从以下三个原则判定电源环路稳定性:

(1)、在室温和标准输入、正常负载条件下，闭环回路增益为0dB(无增益)的情况下,相位裕度是应大于45 度；如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度不应小于30度。

(2)、同步检查在相位接近于0deg时,闭环回路增益裕度应大于7dB，为了不接近不稳定点，一般认为增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同时依据测试的波特图对电源特性进行分析，穿越频率按20dB/Dec闭合，频带宽度一般为开关频率的1/20～1/6。

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站在发明者的角度来看三极管的发明和用途

我还是那个观点，一定要站在发明者的角度来看问题，只有这样，一切问题才都能迎刃而解。因为模电的内容就是发明---使用---发现问题---改进---再发明—再使用的过程，是我们学习前人发明和使用的东西。

我们就以二极管和三极管为例，二极管是控制导线中电子的流动方向，而三极管是控制导线中流动电子的多少。这也是“电子技术”的根本。理论搞明白了实验就简单了。

下面主要是以三极管为例来说明导线中电流的控制，要想控制一根导线中的电流，首先要把这根导线断开，断开的两端我们分别叫做C端和E端（C和E实际上是输出回路），如果我们在C和E之间加个器件，这个器件能使电流从C端流进并能从E端流出来，同时这个电流又能被我们控制住，那么这个器件就成功了。

为了实现上述要求，接下来我们就在C-E之间放一个NPN（或PNP）结构的半导体，可是，现在的问题是，在这种情况下无论怎样在C和E之间加电源 （不击穿情况下） ，C-E这根导线始终都不会有电流。我们又知道，电子流动的方向与人们定义电流的方向相反（这是因为当时人们以为电线里流过的是电流），所以，我们将中间半导体引出一个电极（B极），在B-E之间（实际上是加在发射结上，见PN结特性）加一个正向电压，这时发射区就会向基区发射电子从而形成E极流出的电流，但是，要想实现这个电流是从C端入、从E端出，则必须要把发射区发射的这些电子都收集到C极去，这样我们需要在C和E之间加正向电压，使集电结处于反向击穿状态，使电子能顺利收集到C极，这个收集电子的能力要比发射电子的能力强，它就像一个大口袋，你发射区发射多少我就收多少（这样就能理解三极管输出特性曲线了，当B极电流一定时，随着CE电压的增加，C极电流就不再增加了，因为B极电流一定时，发射区发射的电子数量就一定了，你收集的能力再强也要不到多余的电子了），这样，这个器件就成了，可以实现电流从C端到E端（因为当初我假设它们之间是被我断开的导线两端），最理想的是流进C端的电流就等于E端流出的电流，同时这个电流又被一个BE电压（或信号）控制，但是，三极管不是一个理想的器件，因为C端电流不等于E端电流，有一部分电流流过B极，我们尽量使C端电流等于E端电流，所以，这就是为什么在工艺上要使基区浓度要低而且还要薄，同时集电结的面积还要大的根本原因。

谈一谈Ic受Ib控制的问题：

通过前面的叙述，我们已经知道发射极电流Ie受发射结电压控制，由于我们采取了工艺上的措施，使得集电极电流Ic近似等于发射极电流Ie，这样就可以说集电极电流Ic受发射结电压控制。我们又从三极管输入特性曲线可知，当Vbe和Ib的关系处于特性曲线的近似直线的位置时，基极电流Ib与发射结电压就成线性关系，这样，可以说集电极电流Ic与基极电流Ib就成比例关系。往往我们会站在不同角度来看问题，我们从电流放大的角度来看时，刚才说过集电极电流Ic比基极电流Ib大很多，同时它们又成比例关系，因此，在进行计算的时候就说成是集电极电流Ic受基极电流Ib控制。这其实是人们站的角度不同而已（从电流放大的角度来看的），其实，集电极电流Ic还是由发射结电压控制的，等到了高频小信号模型的时候，就会说集电极电流受发射结电压控制了。

Uce电压的作用是收集电子的，它的大小不能决定Ic的大小，从三极管输出特性曲线可以看到，当Ib一定时（也就是Ube一定时），即使Uce增加，Ic就不变了，但是曲线有些上翘，其实这是半导体材料的问题。实际上，Ie是受从输入端看进去的发射结电压控制的（可以参见三极管高频小信号模型），加Uce电压的时候发射结已经处于导通了，它的影响不在发射结而在集电结，加Uce电压是为了让Ic基本等于Ie，所以说Ic受发射结电压控制，人们为了计算方便把这种控制折算成受Ib控制，就是因为说成这样，使得人们不太容易理解三极管工作的原理。

从输出回路受输入回路信号控制的角度来看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其实是由Ie带来的，所以，也可以说Ic受Ie影响的，这也得受三极管制造工艺影响，如果拿两个背靠背二极管的话，怎么也不行。

尽管三极管不是一个理想器件，但是，它的发明已经是具有划时代意义了。由于它的B极还有少量电流，因为这个电流的存在意味着输入回路有耗能，如果我不耗能就能控制住你输出回路的电流，那这个便宜就大了，所以，后来人们发明了场效应管。其实，发明场效应管的思想也是与三极管一样的，就是为了用一个电压来控制导线中的电流，只是这回输入回路几乎不耗能了，同时，器件两端的电流相等了。

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