电源环路设计探讨
[日期
：
2010-02-26] ½者
:
XXXXXX
设计一个性½优良的电源除了选择½正确的方案（如拓扑结构，IC 等）外，还应包括储½元件和环路
参数的优化计算。环路包含电压环和电流环两部分，而电压环与输出电压的调整息息相关，它涉及到系统
的负反馈½络，½响系统的稳定度，故它显得尤为重要；现在就让我们一起探讨一下该部分的设计内容。
一、基本概念
½移½数（传递½数）
定义为系统输出量除以输入量的比值。
波特图
表示系统的输出电压信号相对于输入电压信号的增益-频率和相½移-频率之间的曲线图; 为了计算方
便，增益一般½以分贝方式表示在对数纸上。
控制到输出特性
(系统开环响应)
指电源系统不考虑误差放大器（
EA
被移除后）的½响，以其
EA
的输入端½为系统输出点, 以
EA
的
输出端（PWM 的输入端）½为系统输入点；若此时系统输入点被扫频仪“扫过”,所得的波特图，即为控
制到输出特性，也称系统开环响应。
单½增益
指系统绝对增益为
1
时的增益量；为了计算方便，通常用相对增益
G(s) = 20*log 1 = 0 dB
来定义。
穿越频率
指在波特图中，系统相对增益为
0 dB
时所对应的频率；也称单½增益频率、截止频率或剪切频率,一般
以符号
Fco
表示。
½折频率
电路中两个电抗元件阻抗相等处的频率。
相½裕量
指系统在穿越频率处，总的环路相½延迟与-360°之差值（见以下曲线渐近线示意图）
。
增益裕量
指系统相½在-360
°时所对应的总的环路增益与 0dB
的差值（见以下曲线渐近线示意图）
。
1
二、电源系统控制原理（示意图）
注：以电压型顺向式变换器为例，考虑到系统开环响应时移走
EA，那么开环系统中 PWM
本身的传递½数
为
Vo/Vea.
三、系统的开环响应
常见开环响应的类型：
a.电压型控制的顺向式(如 Forward)变换器;
其响应主要与输出的
L, C
产生的零、极点½折频率有关，属于此类响应特性的½换器还有：Buck,推½,
半桥,全桥等；
b.电压型或电流型控制的返驰式(Flyback)变换器&电流型控制的顺向式变换器;
其响应主要与输出负½½等效电阻(Ro)及输出电容产生的零、极点½折频率有关
(即½输出端有时为了抑
制纹波而加有一小电感，½由于
Lo, Co
引起的½折频率远大于上述值，因此常常可½略其½响)，属于此
类响应特性的½换器还有：Buck-
Boost, Boost
等。
开环响应类型与对应的(系统本身)零、极点½折频率：
a.电压型控制的顺向式等变换器的开环响应曲线（渐近线）的½折频
率;
2
极点
F
o
½
2
½
1
*
L
o
*
C
o
o
（1）
零点
F
esr
2
1
*
R
esr
*
C
（2）
b.电压型控制的返驰式&电流型控制顺向式及返驰式等变换器的开环响应曲线（渐近线）的½折频率;
极点
F
o
½
1
2
*
R
o
*
C
o
（3）
零点½折频率与公式
（2）
相同；
注:一般电容的零点频率范围存在如下经验参数：
a.普通电解电容 1~5KHz,
b.½电容 10~25KHz.
四、反馈环补偿依据
系统反馈补偿设计的必要性
a.误差放大器太慢→系统响应迟缓;
b.误差放大器太快→系统容易振荡;
c.振荡的根源→系统中放大器与反馈元件的非线性引起某些频率的信号（含傅里叶分量）相移变成正反
馈，½该信号的增益足够时，环路将变为不稳定状态。
系统环路稳定的基本原则
a.在穿越频率 Fco
处(含所有增益大于
0 dB
的频率点）
，系统所有环节的总环路相移必须小于-360
°（含
误差放大器的-180
°负反馈在内）
，并且相½裕量至少为
35~45 °;
b.为了折衷考虑增益裕量和相½裕量，系统中含 EA
在内的总的环路增益曲线之合成斜率
Kt（渐近线）
在
Fco
频率附近应为-1，即该斜率以-
20 dB/decade
下降；
有经验的
RD
知道
Kt=-1
时，环路增益曲线斜率对应的相频曲线相½延迟相对而言较小，且变化较慢，
因此它½保证½某些环节的相½变化被½略时，相频曲线仍有足够的相½裕量，½得系统保持稳定；
c.系统的穿越频率在允许的情况下(经验值 Fco≦0.2 Fs)可适½高些，这样既可兼顾提高系统的暂态响应，
又
½衰减高频段增益、滤除开关杂讯(注：实际操½中，对大多数不同的拓扑结构而言，Fco 取经验值
1/20 Fs
~ 1/6 Fs
已够用; 取较小
Fco
的拓扑，如电流型顺向式，因其在(1/2)
Fs
处有一双极点存在);
d.系统中的½频段（直流）增益要½可½大，这样既可以抑制电源的½频涟波，又可提高系统的调节精度；
补偿器的基本原理
通过补偿器提供给½换器所需的增益及相移，来合成达到稳定控制回路的目的。
3
补偿的基本策略
根据环路稳定的基本原则，设法将总的回路频响特性修正为类似单极点的系统。
极点、零点的增益斜率变化规则
极点
(↘) :
表示增益斜率变化了-1,即-20dB/十倍频变化，如
0→-1→-2
→-3 →-4 →-5...;
零点
(↗) :
表示增益斜率变化了+1,即+20dB/十倍频变化，如
0→+1→+2→+3→+4→+5…；
常见的零极点的响应
***注：以下渐近线示意图，主要说明不同零极点的概念，不代表实际½½。
4
注：输出电容分别含
ESR
与不含
ESR
½响的双极点状况。
最常用补偿器及其½移½数
a.单极点补偿器(I
型补偿器)
1
2
R1
1
A
Vref
UA
Vc
C1
2
Vo u t
G
A
I N
I
½
1
R
1
C
1
注：通常用于系统中主极点补偿，适用于要求不高的控制系统；
优点：½成本，可提供几乎固定的相移和较高的增益裕量；
缺点：带½窄，暂态响应较慢。
b.极点-零点补偿器（II
型补偿器）
C1
1
2
2
R1
1
A
Vref
UA
R2
2
1
2
C2
Vc
1
Vo u t
G
A
I
N
I
I
½
1
R
1
C
1
1
R
C
R
1
2
2
C
C
1
2
C
C
2
2
5
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