一位工程師對環路補償的計算和仿真分享心得經驗

一直以來，環路的計算和補償都是開關電源領域的“難點”，很多做開關電源研發的工程師要么對環路一無所知，要么是朦朦朧朧，在產品的開發過程中，通過簡單的調試來確定環路補償參數。而這種在實驗室里調試出來的參數真的能滿足各種實際的使用情況嗎？能保證電源產品在高低溫的情況下，在各種負載條件下，環路都能夠穩定嗎?能保證在負載跳變的情況下收斂嗎？

太多的未知數，這是產品開發的大忌。我們必須明明白白的知道，環路的穩定性如何?相位裕量是多少?增益裕量是多少?高低溫情況下這些值又會如何變化?在一些對動態要求非常嚴格的場合，我們如何折中考慮環路穩定性和動態響應之間的關系?

有的放矢，通過明確的計算和仿真，我們的產品設計才是科學的，合理的，可靠的。我們的目標是讓產品經得起市場的檢驗，讓客戶滿意，讓自己放心。本示例從簡單的BUCK電路入手，詳細說明了如何進行電源環路的計算和補償，并通過saber仿真驗證環路補償的合理性。

在頻域響應中，我們只考慮一個頻點，是否經過開環傳遞函數之后，該頻點的擾動信號回到原處時，幅值不變，相位不變?如果有，在該頻點，閉環系統是不穩定的。

所以實際上是求解G(jω)*H(jω)=-1這個等式的解ω，而不是求解特征方程G(S)*H(S)=-1的根，是求解是否有滿足以上穩定性判據的特征頻點。

至于自動控制理論中的穩定性判據，實際上沒有伯德判據，乃奎斯特判據有兩種表現形式，一種是通過乃氏曲線判斷，一種是通過伯德圖判斷，很多人就把乃奎斯特判據的伯德圖表現形式稱之為伯德判據。

另外，在補償電路的高頻段，確實是需要添加極點的，衰減高頻信號對環路的影響，一般選擇在穿越頻率的5倍頻之后，以盡量減小對相位裕量的影響。在本示例中，為了簡化分析，采用最簡單的補償電路，是為了讓大家更容易理解，不想把傳遞函數寫的太復雜。

對于相位裕量選擇多少比較合適的問題，其實沒有定論，很多參考資料中都選擇45°，相位裕量的選擇其實是一個折中的結果，取決于產品設計時的實際考慮，但原則上不要低于30°，否則在某些極限情況下很可能出現環路不穩定的情況，而這種極限情況恰恰是產品設計時沒有考慮到，在產品實際使用中可能出現的。

環路的補償設計是一個折中(tradeoff)的過程，需要考慮的因素很多，沒有完美的定式和結論，更多的是從工程的角度考慮，如何兼顧靜態增益，低頻增益(抑制100Hz紋波)，動態響應，穩定性等各方面的關系，很多時候還牽涉到主電路參數設計(影響主電路的零極點)，器件選型(寄生參數可能造成的影響)等方面的工作，所以是一個比較復雜的過程，通常會按下葫蘆起了瓢，想做到盡善盡美是不可能的。

幸運的是，我們可以通過計算和仿真，在產品的方案設計階段，就充分的考慮各種可能的情況，并獲得一個可視化的結果，這對于產品的方案設計和論證是至關重要的，可以大大降低系統設計風險，節約可觀的時間，人力和物力。