开关电源峰值电流模式次谐波振荡研究

，Qs小于0，此时电流环传递函数将在右平面产生2个极点，导致电流环路不稳定，从而整个开关电源系统都处于不稳定状态，将在1／2开关频率(即ωs/2)处发生振荡，这就是次谐波振荡的真正由来。引入斜坡补偿后，若m>(m2-m1)／2即m>max[(m2-m1)／2]=m2／2时，Qs大于0，此时电流环传递函数的极点将出现在左半平面，此时系统也不一定稳定，只有保证电流环具有足够的相位裕度时，系统才稳定。当m2>m>m2／2时，系统虽稳定，但此时还是会出现振铃电流，只有当m=m2即阻尼系数为π／2时，系统才能在一个周期内消除振铃电流，从而获得非常好的瞬态响应。当m>m2时，虽然电流环相位裕度增加，但其带宽变小，即出现过补偿现象，此时会影响系统的响应速度。

2 斜坡补偿方式及电路实现
前文从几个方面研究了次谐波振荡产生的原因，并且指出斜坡补偿能防止系统出次谐波振荡，现研究补偿方式及其具体电路实现。开关电源斜坡补偿分为上斜坡补偿与下斜坡补偿2种方式。图6为下斜坡补偿原理，给出了下斜坡补偿时占空比大于50％的电感峰值电流波形(电流微小扰动作为激励信号)。与图2相比，仅Ve从水平直线改为下斜坡。从图6可以看出，引入斜坡补偿后，电流误差信号每经过一个时钟周期，幅度成比例衰减，最后消失。图7为上斜坡补偿原理，给出了占空比大于50％的电感峰值电流波形。其补偿原理就是在电感峰值电流a上叠加上斜坡补偿电流b，形成检测电流c，使占空比小于50％，稳定系统。由于上斜坡补偿电路实现相对简单，一般采用上斜坡补偿。
对于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减越快，但补偿斜率过大，会造成过补偿。过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的影响，从而降低系统的带载能力；另一方面，过补偿会影响系统瞬态响应特性。通常选择斜坡补偿斜率需根据需要折中考虑。对于Buck和Flyback转换器，补偿斜坡一般取峰值电流下降斜率m2即Vout／L，由于输出电压恒定，所以补偿值便于计算并恒定；对于Boost电路，补偿斜坡也一般取峰值电流下降斜率m2，即(Vout-Vin)/L但由于输入电压随电网变化，从而要求补偿值跟随输入电压的变化，此时若为了电路设计简单，强迫斜坡斜率固定，则可能出现过补偿或欠补偿现象，降低电路性能并导致波形畸变。

因Buck与Flyback转换器斜坡补偿原理电路实现基本相同，因此本文只给出了一种上斜坡补偿的Flyback斜坡补偿电路(图8所示)。图9为本文第二作者提出的一种升压型转换器自调节斜坡补偿电路。采用Hspice仿真软件分别对图8和图9进行仿真，仿真结果分别如图10和图11所示。图10的振荡器频率为100 kHz。m1为检测电流曲线，其从0慢慢上升到40μA。虚线a,b和c代表具有不同斜率的斜坡补偿信号，线A，B和C分别为叠加后的曲线。从图10可看出：通过改变电阻R5和R4的比值，可以得到具有不同斜坡的补偿信号。图11中，Vsense为电感上的峰值电流流过检测电阻所产生的电压，Vslope为经上斜坡补偿后的检测电流流过检测电阻所产生的电压。从图11可以看出，不同的输入电压对应不同的补偿斜坡，并且斜坡变化与(Vout-Vin)的变化成正比即达到了自调节功能。

3 结论
本文对峰值电流模式开关电源的次谐波振荡从定性和定量2个角度分别进行了系统研究，当占空比大于50％时，系统的电流环在1／2开关频率处出现振荡，引入斜坡补偿后能保证电流环路增益的传输函数在1／2开关频率处具有较好的相位裕度，保证系统稳定。最后分析了上斜坡补偿和下斜坡补偿2种避免次谐波振荡的方法，并基于3种最基本的开关电源拓扑(Buck，Flyback和Boost)给出了具体的斜坡补偿电路及仿真结果。