反激電源的控制環(huán)路設計

1、反激雷源G控制璟路言十 環(huán)路設計用到G一些基本知識。電源中遇到G零極點。I 右半平面零點注：上面G圖為示意圖，主要說明不同零極點G概念，不代表實際位置。電源控制環(huán)路常用G 3種補償方式。(1)1sRlCl單極點補償，適用于電流型控制和工作在DCM方式并且濾波電容G ESR零點頻率較低G電源。其主要作用原理是把控制帶寬拉低，在功率部分或加有其他補償G部分G相位達到180度以前使其增益降到 0dB,也叫主極點補償。(2)1+SR2C1sRlClil+,sR2C2)雙極點，單零點補償，適用于功率部分只有非連續(xù)方式電壓型控制。(3)(i+sR2Clil+sRlC5)G二爾 1cLi+&R2C?

2、M 1+sRK 簫三極點，雙零點補償。適用于輸出帶LC諧振G拓撲，如所有沒有用電流型控制G電感電流連續(xù)方式拓撲。三，環(huán)路穩(wěn)定G標準。只要在增益為1時（0dB）整個環(huán)路G相移小于 360度，環(huán)路就是穩(wěn)定內(nèi)。但如果相移接近360度，會產(chǎn)生兩個問題：1）相移可能因為溫度，負載及分布參數(shù)G 變化而達到360度而產(chǎn)生震蕩；2）接近360度，電源G階躍響應（瞬時加減載）表現(xiàn) 為強烈震蕩，使輸出達到穩(wěn)定G時間加長，超調(diào)量增加。如下圖所示具體關系。' Rclarioiiloop 即uii phase (iiiirgni 中M jckI closed-lwp peaking thvtor QUniLYl

3、叩 response of ±e second-order system, Eqs. (9.26) and (9.27), for various values of Q.所以環(huán)路要留一定G相位裕量，如圖Q=1時輸出是表現(xiàn)最好所以相位裕量G最佳值為52度左右，工程上一般取45度以上。如下圖所示：這里要注意一點，就是補償放大器工作在負反饋狀態(tài)，本身就有180度相移，所以留給功率部分和補償網(wǎng)絡G只有180度。幅值裕度不管用上面哪種補償方式都是自動滿足O,所以設計時一般不用特別考慮。由于增益曲線為 -20dB/decade時，此曲線引起G最 大相移為90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成

4、G整個增益曲線應該為-20dB/decade部分穿過0dB.在低于0dB帶寬后，曲線最好為-40dB/decade,這樣增益會迅速上升，低 頻部分增益很高，使電源輸出G直流部分誤差非常小，既電源有很好G負載和線路調(diào)整率。四，如何設計控制環(huán)路？經(jīng)常主電路是根據(jù)應用要求設計G,設計時一般不會提前考慮控制環(huán)路G設計。我們G前提就是假設主功率部分已經(jīng)全部設計完成，然后來探討環(huán)路設計。環(huán)路設計一般由下面幾過程組成：1）畫出已知部分G頻響曲線。2）根據(jù)實際要求和各限制條件確定帶寬頻率，既增益曲線G 0dB頻率。3）根據(jù)步驟2）確定G帶寬頻率決定補償放大器G類型和各頻率點。使帶寬處G曲線斜率為20dB/de

5、cade,畫出整個電路G頻響曲線。上述過程也可利用相關軟件來設計：如pspice, POWER-4-5-6.一些解釋：已知部分G頻響曲線是指除Kea（補償放大器）外內(nèi)所有部分G乘積，在波得圖上是相加。環(huán)路帶寬當然希望越高越好，但受到幾方面G限制：a）香農(nóng)采樣定理決定了不可能大于1/2 Fs; b）右半平面零點（RHZ） G影響，RHZ隨輸入電壓，負載，電感量大小而變化，幾乎無法補償，我們只有把帶寬設計G遠離它，一般取其1/4-1/5; c）補償放大器G帶寬不是無窮大，當把環(huán)路帶寬設G很高時會受到補償放大器無法提供增益G限制，及電容零點受溫度影響等。所以一般實際帶寬取開關頻率G1/6-1/100

6、五，反激設計實例。條件： 輸入85-265V交流，整流后直流 100-375V輸出12V/5A初級電感量 370uH初級匝數(shù)：40T,次級：5T次級濾波電容 1000uF X 3=3000uF震蕩三角波幅度25V開關頻率100K電流型控制時，取樣電阻取0.33歐姆下面分電壓型和峰值電流型控制來設計此電源環(huán)路。所有設計取樣點在輸出小 LC前面。如果取樣點在小 LC后面，由于受LC諧振頻率限制，帶寬不能很高。1）電流型控制假設用3842，傳遞函數(shù)如下：(l+sCRc)*l- -JKmod * (Kpwr*Klc) * Kfb= I Rs£nse*(l i-D)NNR/Q-DNl D)1

7、+ 事CRoHDD-NVa/ （Vin+NVo）C為輸出電容 Ro為負載電阻3842R3Y1KRIC2TU5TL43133K,為了避免其引起過多G相移，一般取帶土R2VrefUI 817AcompVfbXz此圖為補償放大部分原理圖。 RHZ G頻率為寬為其頻率O 1/4-1/5,我們?nèi)?/4為8K。分兩種情況：A）輸出電容ESR較大。+80+60TO+200-20-40rw'iiin.丁 niiTiii iim FkiTiin l.l I I IIHIIII 111： inirrnwi廠rmM I tiij-ih i i iihiii niiriii丁川 iHull一.I.LHJJJJ

8、1.1 d 1J.1JJJLmini i innI I IIIIIL我I一旦也工HTllIIINi- i -b wu 7I I IIHIII G( I IIHIII 卜.一卜卜用卅m 用川卜用一口訓i i limni i limn i iihiii i i it uni imu卜葉十出寸L卜子*卜+H什 TT+H州卜一卜卜什卅”GaindBII IIHIIIII lllllilII IIIIHIII IIHIII-廠T甘11一丁十什廣口 tj加一寸力W曲 iihiii numII iihiiiii iihiii-f100100010000100000(l+s/1225)*(l-s/53K)G(

9、s)= 19441+0331000uF/16V ESR=130ni 歐姆輸出濾波電容G內(nèi)阻比較大，自身阻容形成G零點比較低，這樣在8K處G相位滯后比較小。Phanse angle = arctan(8/1.225)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= -22 度。另外可看到在8K處增益曲線為水平，所以可以直接用單極點補償，這樣可滿足-20dB/decadeG曲線形狀。省掉補償部分GR2, C1。設 Rb 為 5.1K,則 R1= (12-2.5) /2.5*Rb=19.4K.8K 處功率部分G增益為-20* log(1225/33)+20* log19.4 = -5.7

10、dB因為帶寬8K,即8K處0dB所以8K處補償放大器增益應為5.7dB, 5.7-20* log( Fo/8)=0Fo為補償放大器0dB增益頻率Fo= 1/(2*pi*R1C2)=15.42C2= 1/(2*pi*R1*15.42)=1/(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF相位裕度：180-22-90=68度10030 &040200 -20 葡 -6010仿真圖：1001000 WOOD WOODO 1000000Frequency (Hz)0城融-150 -250 -300 r350 -400 -10100100010000100000 1000000Frequen

11、cy (H工)蘭色為功率部分，綠色為補償部分，紅色為整個開環(huán)增益。B)輸出電容ESR較小。Gain dB+80+60+40+20-20-406080STIlin廠丁川口廠一丁川用廠TT用I 聞 11 mm I iiiihi inmiHlllllLllllllIlliI HlllllI： 111 111 I 1 lllllll I I Hlllll卜什ItH卜十一卜什1卅卜一卜葉十HI#十卜什H怖"I Hlllll I fill lllj I I IIIHII I I III I 111門Tlllir寸一m竹琳十一什幣一LMti川I Hlllll I til If III I I Hl

12、llll I I 11 Hilf100100010000100000angle(l+s/5.3K)*(I-s/SSK)G(s)= 194* l+s/331000uF/25V ESR=30m 歐姆輸出濾波電容G內(nèi)阻比較大，自身阻容形成G零點比較高，這樣在8K處G相位滯后比較大。Phanse angle = arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= -47 度。如果還用單極點補償，則帶寬處相位裕量為180-90-47=43度。偏小。用2型補償來提升。三個點G選取，第一個極點在原點，第一G零點一般取在帶寬G1/5左右，這樣在帶寬處提升相位78度左右，此零

13、點越低，相位提升越明顯，但太低了就降低了低頻增益，使輸出調(diào)整率降低，此處我們?nèi)?1.6K。第二個極點G選取一般是用來抵消ESR零點或RHZ零點引起G增益升高，保證增益裕度。我們用它來抵消 ESR零點，使帶寬處保持-20db/10 decade O 形狀，我們?nèi)SR零點頻率5.3K數(shù)值計算：8K 處功率部分G增益為-20* log(5300/33)+20* log19.4 = -18dB因為帶寬8K ,即最后合成增益曲線8K處0dB所以8K處補償放大器增益應為18dB, 5.3K處增益=18+20log(8/5.3)=21.6 dB水平部分增益=20logR2/R1=21.6 推出 R2=12

14、*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2c2推出 C2=1/ (2*3.14*233K*5.4K ) =127pF.fz1=1/2*pi*R2C1 推出 C1=1/ (2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.相位1101001000 WOOD 1000001000000Frequency (Hz)Phanse angle = -47 - 90+arctan(8/1.6)-arctan(8/5.3)=-115 度 相位裕度：180-115=65度仿真圖：110100100010000100000 1000000Frequency (Hz)蘭色為功率部分，綠色為補償部分，紅色為整個開

15、環(huán)增益。假設光耦CTR=1 ,由于R3和R4相等，其增益為 R4/R3=1 ,所以不影響補償部分。2,電壓型控制。我們同樣設計帶寬為 8K,傳遞函數(shù)如下：“ (l+sCRc)*IG(s>V(wVc =Kiiwd*(Kpw*Klc)*Eab=欠-*Ro 氣LD：Vea N"1D11+.D=NVo/ <Vin+NVo)Wo*Q W03C為輸出電容R。為負載電阻川-(l-D)*NRoRc為電容 ESR工學Sp*C)sqt(LC)高頻1000uF電容G ESR : Rc=30m歐姆。fo=3799/(2*pi)=605Hz(l+s/5.3K)*(l-s/33K)G(s>Vo

16、/Vc =26*：1 + -+fU463799 L 3799fo為LC諧振頻率，注意 Q值并不是用G計算值，而是經(jīng)驗值，因為計算GQ無法考慮LC串聯(lián)回路G損耗（相當于電阻），包括電容ESR,二極管等效內(nèi)阻，漏感和繞組電 阻及趨附效應等。在實際電路中Q值幾乎不可能大于 45。Gain dB+60+40+200204060nTinii廠 I 11 Illi! I I IrnriiiI I IiB Ai IIIZITJJfflll廠丁口用嚴丁仃川1IIIH I I lllllll I I lllllllHillI I ILUJ1.HillI I I? I lllllllL.L1ismm! i i i

17、nrriii i iwiiHTIMl卜卜-1用4|I-lllllli I I lllllll I I llllllW TTM 卜卜舟w卜十田州i卜十十川加十卜什i刑 limn inimlimni ri11iij門T"廠十巾曲十十什1惟一 tHRW I IIIlli；I I lllllllII lllllll1I lllllll100100010000100000由于輸出有LC諧振，在諧振點相位變動很劇烈，會很快接近180度，所以需要用3型補償放大器來提升相位。其零，極點放置原則是這樣G, 在原點有一極點來提升低頻增益，在雙極點處放置兩個零點，這樣在諧振點G相位為-90+(-90)+4

18、5+45=-90.在輸出電容G ESR處放一極點，來抵消 ESRG影響，在RHZ處放一極點來抵消 RHZ引起G高頻增益上升。元件數(shù)值計算，為方便我們把3型補償G圖在重畫一下。(1+sR2C1)(1+sR1C3)sRlCl(l+爾2c2)(1+SR3C3)先計算功率部分 8K處G增益：Rb=5.1K; R1=19.4K26- 4010g(5.3/0.605)- 2010g(8/5.3)=-15.3dB.要得到8K帶寬，補償放大器在 8K處，既平頂部分G增益應為15.3dB.雙零點處增益為:15.3-20log(5.3/0.605)=-3.6dB.從補償圖上可知，此處增益為2010g(R2/R1)

19、=-3.6,得出：R2=1.51*R1=29.3K.1/(2*pi*R1*C3)=605,C3=13.6 nF.1/(2*pi*R3*C3)=33KR3=355 歐姆1/(2*pi*R2*C1)=605C1=9nF.1/(2*pi*R2*C2)=5.3KC2=1nF.核算 8K 處G相位：-180+arctan(8/5.3)-arctan(8/33)+ - 90+2*arctan(8/0.605)-arctan(8/5.3) -arctan(8/33)= -126.相位裕量： 180-126=54度。仿真結果如下：蘭色為功率部分，綠色為補償部分，紅色為整個開環(huán)增益。如果相位裕量不夠時，可適當把兩個零點位置提前，也可把第一可極點位置放后一點。同樣假設光耦 CTR=1 ,如果用CTR大G光耦，或加有其他放大時，如同時用 IC G內(nèi)部運 放，只需要在波得圖上加一個直流增益后，再設計補償部分即