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1、作为一名电子工程师,因为最近的项目,每天接触最多的是电源的设计工程师,发现不管是电源的老手、高手、新手,几乎对控制环路的设计一筹莫展,基本上靠实验。靠实验当然也是可以的,但出问题时往往无从下手,在这里我想以反激电源为例子(在所有拓扑中环路是最难的,由于RHZ的存在),大概说一下怎么计算,至少让大家在有问题时能从理论上分析出解决问题的思路。示意图:/ 单零点20 曲/decade这里给出了右半平面零点的原理表示,这对用PSPlCE做仿真很有用,可以直接套用此图。传递函数自己写吧,正好锻炼一下,把输出电压除以输入电压就是传递函数。bode图可以简单的判定电路的稳定性,甚至可以确定电路的闭环响应,就
2、向我下面的图中表示的零极点说明了增益和相位的变化。1单极点补偿适用于电流型控制和工作在DCM,方式并且滤波电容的ESR零点频率较低的电源。其主要作用原理是把控制带宽拉低,在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180度以前使其增益降到OdB也叫主极点补偿。双极点,单零点补偿,适用于功率部分只有一个极点的补偿。如:所有电流型控制和非连续方式电压型控制。三极点,双零点补偿,适用于输出带LC谐振的拓扑,如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑OCl的主要作用是和R2提升相位的,当然提高了低频增益,在保证稳定的情况下是越小越好。C2增加了一个高频极点,降低开关躁声干扰。串联Cl实质是增加一个零点,
3、零点的作用是减小峰值时间,使系统响应加快,并且闭环越接近虚轴,这种效果越好。所以理论上讲,Cl是越大越好.但要考虑,超调量和调节时间,因为零点越距离虚轴越近,闭环零点修正系数Q越大,而Q与超调量和调节时间成正比,所以又不能大。总之,考虑闭环零点要折中考虑。并联C2实质是增加一个级点,级点的作用是增大峰值时间,使系统响应变慢.所以理论上讲,C2也是越大越好。但要考虑到,当零级点彼此接近时,系统响应速度相互抵消。从这一点就可以说明,我们要及时响应的系统Cl大,至少比C2大。2环路稳定的标准只要在增益为1时(OdB)整个环路的相移小于360度,环路就是稳定的。但如果相移接近360度,会产生两个问题:
4、相移可能因为温度,负载及分布参数的变化而达到360度而产生震荡:接近360度,电源的阶跃响应(瞬时加减载)表现为强烈震荡,使输出达到稳定的时间加长,超调量增力口.如下图所示具体关系。ICGHtWeenloop仲ZEg。Mld,tmeddoop(MttwQUnrtFmpoMofJtec三dontertywm.卬(9.26).011kforrtanOfQ所以环路要留一定的相位裕量,如图Q=I时输出是表现最好的,所以相位裕量的最佳值为52度左右,工程上一般取45度以上.如下图所示:这里要注意一点,就是补偿放大器工作在负反馈状态,本身就有180度相移,所以留给功率部分和补偿网络的只有180度。幅值裕度
5、不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的,所以设计时一般不用特别考虑。由于增益曲线为-20dBdecade时,此曲线引起的最大相移为90度,尚有90度裕量,所以一般最后合成的整个增益曲线应该为-20dBdecade部分穿过OdB0在低于OdB带宽后,曲线最好为-40dBdecade,这样增益会迅速上升,低频部分增益很高,使电源输出的直流部分误差非常小,既电源有很好的负载和线路调整率。如何设计控制环路?经常主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。我们的前提就是假设主功率部分已经全部设计完成,然后来探讨环路设计。环路设计一般由下面几过程组成: 画出已知部分的频响曲线; 根据实
6、际要求和各限制条件确定带宽频率,既增益曲线的OdB频率; 根据步骤2)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点。便带宽处的曲线斜率为20dBdecade,画出整个电路的频响曲线。上述过程也可利用相关软件来设计:如PSPiCe,POWER-4-5-6c反馈环路己知部分的频响曲线是指除Kea(补偿放大器)外的所有部分的乘积,在波得图上是相加。环路带宽当然希望越高越好,但受到几方面的限制: 香农采样定理决定了不可能大于l2Fs; 右半平面零点(RHZ)的影响,RHZ随输入电压,负载,电感量大小而变化,几乎无法补偿,我们只有把带宽设计的远离它,一般取其1415; 补偿放大器的带宽不是无穷大,当把环
7、路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制,及电容零点受温度影响等。所以一般实际带宽取开关频率的l6-l10o3反激设计实例条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A;初级电感量370UH初级匝数:40T;次级:5To次级滤波电容100OUFX3=3000UF震荡三角波幅度,2.5V开关频率100K,电流型控制时取样电阻取0.33欧姆。下面分电压型和峰值电流型控制来设计此电源环路。所有设计取样点在输出小LC前面.如果取样点在小LC后面,由于受LC谐振频率限制,带宽不能很高。1、电流型控制假设用3842,传递函数如下:NRo*(1 D)(lCRc)*lG()
8、 Kmod(Kmr*K1c)*Kn 1 Rsense*(lD)IVNYS (VlnNV)C为2出电容 R。为负板电用WRMlI DNl W 7SeRo iD此图为补偿放大部分原理图。RHZ的频率为33K,为了避免其引起过多的相移,一般取带宽为其频率的1/4-1/5,我们取1/4为8K。1)输出电容ESR较大(ls1225)*(ls33K)G(三)=19.4*ls331000F16VESR=I30m欧姆输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较低,这样在8K处的相位滞后比较小。Phanseangle=arctan(81.225)-arctan(80.033)-arctan(833)=22度
9、。另外可看到在8K处增益曲线为水平,所以可以直接用单极点补偿,这样可满足-20dBdecade的曲线形状.省掉补偿部分的R2,Clo设Rb为5.1K,则Rl=(12-2.5)2.5*Rb=19.4Ko8K处功率部分的增益为-20*log(122533)+20*logl9.4=-5.7dB因为带宽8K,即8K处OdBo所以8K处补偿放大器增益应为5.7dB,5.7-20*log(Fo8)=0Fo为补偿放大器OdB增益频率Fo=l(2*pi*RlC2)=15.42oC2=l(2*pi*Rl*15.42)=l(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF相位裕度:180-22-90:68度。1
10、01001010000100010000Frequency(Hz)蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益。2)输出电容ESR较小Gain 8060402002040601 80.50-100-190.200-250皿6.400 (tp) Qseqd2、电压型控制我们同样设计带宽为8k,传递函数如下:I Via Go)-VMC -Kmod(KmrnKI-Ve N(l D?回NV (ln C为出电容 R。为负仪电InWA NlRC 为电霹 ESRB.C)(ImCc)I1 INRo*NRo Q(LC)高频IOOOiF电容的ESR fo-S-t99(2*pi) 605Hz(lf5JK)*(
11、lt33K)G(I)=VoZVc=26*14+II4.3r9913799,f。为LC谐振频率,注意Q值并不是用的计算值,而是经验值,因为计算的Q无法考虑LC串联回路的损耗(相当于电阻),包括电容ESR,二极管等效内阻,漏感和绕组电阻及趋附效应等。在实际电路中Q值几乎不可能大于4-5。Guin dB+80 -r fi!.rm vm-60I lllllll I I Illl* rm I I min Ti*40 .IIII I lllllll I I lllllll I I Illl TTiTDiii厂门川”广用 .L.L11IJJJ1.L. UUJJI-LUwIlJL.2-GI m II I im
12、iiir+uuI IImI I min2o +nmIIII I min40十卜什州h4l+l 卜NH称7I I lllllll I IIIIIIlFWJIII4ltl+Il+M+I卜十卜十H+HIlII lllllllII lllllllII lllllllIlllllll6o -fnftt111LrllIWrT 十件 Hw _ II lllllllII lllllllII lllllllIlllllll100100010000100000由于输出有LC谐振,在谐振点相位变动很剧烈,会很快接近180度,所以需要用3型补偿放大器来提升相位。其零,极点放置原则是这样的,在原点有一极点来提升低频增益
13、,在双极点处放置两个零点,这样在谐振点的相位为-90+(-90)+45+45=90.在输出电容的ESR处放一极点,来抵消ESR的影响,在RHZ处放一极点来抵消RHZ引起的高频增益上升。元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图再重画一下。(tR2(iRlC3)I 2piR2CI I 2piR1C3运用于传递函数 有双槌点的补像L2plR2C2 1 2plR3sR1C1(145R2C2M1sR3C3)#先计算功率部分8K处的增益:Rtb-5.1K,R1-19.4K.26-401og(5.3)605)-201og(853)-153dB-要需到8K带宽,补偿放大器在8K处,既平顶部分的用益应为153曲双
14、零点处增益为I153-20log(53/0605)-36dB从补偿图上可知,此处增益为201og(R2/RI)-3&得出:R2-l5R1-2P3KH2pRlC3)-605.一013.6近,l(2R3C3)-33KR3-355欧姆l53KC2-!nF核应8K处的相位,180曲5力延她(8/3如590+2染绘幽O605鎏期53-%Cte0(8113)-126.*j相位胤18026-54度.鼻结果如下,/蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益。如果相位裕量不够时,可适当把两个零点位置提前,也可把第一个极点位置放后一点。同样假设光耦CTR=1,如果用CTR大的光耦,或加有其他放大时,如同时用IC的内部运放,只需要在波得图上加一个直流增益后,再设计补偿部分即可。这时要求把IC内部运放配置为比例放大器,如果再在内部运放加补偿,就稍微麻烦一点,在图上再加一条补偿线结束。