1.
绪论
在开关模式的功率½换器中， 功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节
的。因而，功率½换器是一种反映输入与输出的变化而½其导通时间被调制的独
立控制系统。 由于理论近似， 控制环的设计往往陷入复杂的方程式中， ½开关电
源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。 下面几页将展示控制环的简单化近似
分析，首先大½了解开关电源系统中½响性½的各种参数。
给出一个实际的开关
电源½为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。
测试结果和测量方法也
包含在其中。
2.
基本控制环概念
2.1
传输½数和博得图
系统的传输½数定义为输出除以输入。 它由增益和相½因素组成并可以在博得图
上分别用图½表示。 整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。
在博得
图中， 增益用对数图表示。 因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和， 他
们的增益可以画成图相加。系统的相½是整个环路相移之和。
2.2
极点
数学上， 在传输方程式中， ½分母为零时会产生一个极点。 在图½上， ½增益以
20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图
1
举例说明
一个½通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输½数和博得图也一并给出。
2.3
零点
零点是频域范围内的传输½数½分子等于零时产生的。
增益以
20dB
每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有
描述一个由高通滤波器电路引起的零点。
在博得图中， 零点发生在
90
度的相½超前。图
2
存在第二种零点， 即右半平面零点， 它引起相½滞后而非超前。 伴随着增益递增，
右半平面零点引起
90
度的相½滞后。右半平面零点经常出现于
BOOST
和
BUCK-BOOST
½换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以½系
统的穿越频率大大½于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图
3。
3.0
开关电源的理想增益相½图
设计任½控制系统首先必须清楚地定义出目标。 通常，这个目标是建立一个简单
的博得图以达到最½的系统动态响应， 最紧密的线性和负½½调节率和最½的稳定
性。理想的闭环博得图应该包含三个特性： 足够的相½裕量， ½的带½， 和高增
益。高的相½裕量½阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。 ½的带½允许电源系统快速
响应线性和负½½的突变。高的增益保证良½的线性和负½½调节率。
3.1
相½裕量
参看图
4，相½裕量是在穿越频率处相½高于 0
度的数量。这不同于大多数控制
系统教科书里提出的从
-180
度开始测量相½裕量。 其中包括
DC负反馈所提供的
180
度初始相移。在实际测量中，这
180
度相移在
DC处被补偿并允许相½裕量
从
0
度开始测量。
根据奈奎斯特稳定性判据， ½系统的相½裕量大于
0
度时， 此系统是稳定的。 然
而，有一个边界稳定区域存在，此处（指边界稳定区，译注），系统由于瞬态响
应引起振荡到经过一个长的调节时间最终稳定下来。如果相½裕量小于
45
度，
则系统在边界稳定。½相½裕量超过
节时间和最少过冲。
3.2
增益带½
45
度时，½提供最½的动态响应，短的调
增益带½是指单½增益时的频率，见图
4，增益带½就是穿越频率 Fcs。最大穿
越频率的主要限制因素是电源的开关频率。根据采样定理，如果采样频率小于
2
倍信号频率 （更严谨一点的说法是应该小于
2
倍最大信号频率， 译注） ，则被采
样的信息就不½被完全读取
在开关电源中， 开关频率可以从输出纹波中看得出来， 它是错误的信息， 并且必
须不被控制环路所传递。 因此，
系统的穿越频率必须小于开关频率的一半， 否则，
开关噪声和纹波会扭曲输出电压中想要得到的信息，并导致系统不稳定。
3.3
增益
高的系统增益对于保证½的线性和负½½调节率提供重要贡献。
它½够½
PWM
比较
器在响应输入输出电压的变化时精确地改变电源开关的占空比，
通常，需要在决
定高增益和½相½裕量之间做出权衡。
4.
实际设计分析举例
用经典环路控制分析方法， 开关调整器的控制环分为四个主要部分： 输出滤波器，
PWM
电路，误差放大器补偿和反馈。图
5
用方块图举例说明这四部分，图
6
举例
说明一个开关电源电路图。
首先， 输出电压被反馈½络降压， 然后把这个反馈电压送入误差放大器， ½之与
基准电压相比较而产生一个误差电压信号。 脉½调制部分拾取这个误差电压并且
把它与功率变压器的电流相比较并½化为合适的占空比去控制输出部分功率脉
冲调制的数量。 输出滤波器部分½来自于功率变压器的斩波电压或电流平滑，
½
反馈控制环完善。 下面确定每一部分的增益和相½， 并把他们联合起来½成系统
的传输½数和系统的增益相½点。
4.1
反馈½络
H(s)
反馈½络把输出电压降到误差放大器参考电压的水平，
压式得到：
其传输式按简单的电阻分
4.2
输出滤波部分
G1(S)
在电流模式控制系统中， 输出电流被调节以达到目标的输出电压。
把脉动的输出电流½换为目标输出电压。小信号分析得到：
输出滤波部分
输出电容的
ESR和反馈½络的电阻（ R1+R2=RFB
）反映出输出滤波器传输½数的
特性。图
7
的电路分析给出
ESR和 RSENSE
½响。
的
传输½数
G1(S)给出 RFB
的初始½频增益。这个增益在
fPOLE=1/2*π* RFB+ESR
（
）
*C
处开始滚降，并在
fZERO=1/2*π *ESR*C变为水平。 G1(S)的博得图见图 8。
4.3 PWM电路部分 G2(S)
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