避免开关式电压调节器诱发振荡问题

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

　　开关式电压调节器通常优于线性调节器，因为它们更高效，而开关拓扑结构则十分依赖输入滤波器。这种电路元件与电源的典型负动态阻抗相结合，可以诱发振荡问题。本文将阐述如何避免此类问题的出现。

　　
1  负输入阻抗

    一般而言，所有的电源都在一个给定输入范围保持其效率。因此，输入功率或多或少地与输入电压水平保持恒定。图1显示的是一个开关电源的特征。随着电压的下降，电流不断上升。电压-电流线呈现出一定的斜率，其从本质上定义了电源的动态阻抗。这根线的斜率等于负输入电压除以输入电流。也就是说，由 Pin = V·I，可以得出 V="Pin/I"；并由此可得 dV/dI=–Pin/I2 或 dV/dI≈–V/I。该近似值有些过于简单，因为控制环路影响了输入阻抗的频率响应。但是很多时候，当涉及电流模式控制时这种简单近似值就已足够了。
 

2  为什么需要输入滤波器
　　开关调节器输入电流为非连续电流，并且在输入电流得不到滤波的情况下其会中断系统的运行。大多数电源系统都集成了一个如图 2 所示类型的滤波器。在极高频率时，输出电容分流阻抗。在中间频率时，电感和电容实质上就形成了一种并联谐振电路，从而使电源阻抗变高，呈现出较高的电阻。
 

　　大多数情况下，峰值电源阻抗可以通过首先确定滤波器 (Zo) 的特性阻抗来估算得出，而滤波器特性阻抗等于电感除以电容所得值的平方根。这就是谐振下电感或者电容的阻抗。这样便得到电路的 Q 值。峰值电源阻抗大约等于Zo乘以电路的Q值。
3  振荡
　　但是，开关的谐振滤波器与电源负阻抗耦合后会出现问题。图3显示的是在一个电压驱动串联电路中值相等、极性相反的两个电阻。这种情况下，输出电压趋向于无穷大。当您获得由谐振输入滤波器等效电阻所提供电源的负电阻时，您也就会面临一个类似的电源系统情况；这时，电路往往就会出现振荡。
 

　　设计稳定电源系统的秘诀是保证系统电源阻抗始终大大小于电源的输入阻抗。我们需要在输入电压和负载(即输入阻抗)状态下达到这一目标。在极端情况下，这些阻抗振幅可以相等，但是其符号相反从而构成了一个振荡器。
　　输入滤波器设计通常以根据纹波电流额定值或保持要求选择输入电容（图４所示 CO）开始的。第二步通常包括根据系统的 EMI 要求选择电感 (LO)。正如我们上个月讨论的那样，在谐振附近，这两个组件的源极阻抗会非常高，从而导致系统不稳定。图4描述了一种控制这种阻抗的方法，其将串联电阻 (RD) 和电容 (CD) 与输入滤波器并联放置。利用一个跨接 CO 的电阻，可以阻尼滤波器。
 

4  选择阻尼电阻

　　有趣的是，一旦选择了四个其他电路组件，那么就会有一个阻尼电阻的选择。图５显示的是不同阻尼电阻情况下这类滤波器的输出阻抗。红色曲线表示过大的阻尼电阻。如果电阻被短路，则谐振可由两个电容和电感的并联组合共同设置。绿色曲线代表阻尼值。利用一些包含闭型解的计算方法（见参考文献 1）就可以很轻松地得到该值。
 

5  选择组件

　　在选择阻尼组件时，图6非常有用。该图是通过使用 RD Middlebrook 建立的闭型解得到的。横坐标为阻尼滤波器输出阻抗与未阻尼滤波器典型阻抗 (ZO = (LO/CO)1/2) 的比。纵坐标值有两个：阻尼电容与滤波器电容 (N) 的比；以及阻尼电阻同该典型阻抗的比。利用该图，首先根据电路要求来选择 LO 和 CO，从而得到 ZO。随后，将电源输入阻抗除以二，得到您的输入滤波器源极阻抗 (6dB)。
 

　　电源输入阻抗等于 Vinmin2/Pmax。只需读取阻尼电容与滤波器电容的比以及阻尼电阻与典型阻抗的比, 您便可以计算得到一个横坐标值。