開(kāi)關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償

1、今天作為工程師,每天接觸的是電源的設(shè)計(jì)工程師,發(fā)現(xiàn)不管是電源的老手,高手,新手,幾乎對(duì)控制環(huán)路的設(shè)計(jì)一籌莫展,基本上靠實(shí)驗(yàn).靠實(shí)驗(yàn)當(dāng)然是可以的,但出問(wèn)題時(shí)往往無(wú)從下手,在這里我想以反激電源為例子（在所有拓?fù)渲协h(huán)路是最難的,由于RHZ的存在）,大概說(shuō)一下怎么計(jì)算,至少使大家在有問(wèn)題時(shí)能從理論上分析出解決問(wèn)題的思路.示意圖:CIHJ2QdbCIHJ2Qdb單極點(diǎn)這里給出了右半平面零點(diǎn)的原理表示,這對(duì)用PSPICE做仿真很有用,可以直接套用此圖.遞函數(shù)自己寫(xiě)吧,正好鍛煉一下,把輸出電壓除以輸入電壓就是傳遞函數(shù).bode圖可以簡(jiǎn)單的判定電路的穩(wěn)定性,甚至可以確定電路的閉環(huán)響應(yīng),就向我下面的圖中表示的.

2、零,極點(diǎn)說(shuō)明了增益和相位的變化單極點(diǎn)補(bǔ)償,適用于電流型控制和工作在DCM方式并且濾波電容的ESR零點(diǎn)頻率較低的電源.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(bǔ)償?shù)牟糠值南辔贿_(dá)到180度以前使其增益降到0dB.也叫主極點(diǎn)補(bǔ)償.0貯D主根點(diǎn)補(bǔ)償適用于電流型控制和DCM0貯D主根點(diǎn)補(bǔ)償適用于電流型控制和DCM方式的電源或其他要求不高的控制Vref1G(s)=sRlClI2plRlC雙極點(diǎn),單零點(diǎn)補(bǔ)償,適用于功率部分只有一個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償.如:所有電流型控制和非連續(xù)方式電壓型控制.三極點(diǎn),雙零點(diǎn)補(bǔ)償.適用于輸出帶LC諧振的拓?fù)?如所有沒(méi)有用電流型控制的電感電流連續(xù)方式拓?fù)洹srkjjG(s.

3、sR1C1i1-sR2C2m1+sRJC3)nsrkjjG(s.sR1C1i1-sR2C2m1+sRJC3)L2pLR2C2LZpIRJCS/、XR2Ry、xT2plR2ClI2piRlCJ適用牙傳諭舀It有戲攝總的補(bǔ)償C1的主要作用是和R2提升相位的.當(dāng)然提高了低頻增益.在保證穩(wěn)定的情況下是越小越好.C2增加了一個(gè)高頻極點(diǎn),降低開(kāi)關(guān)躁聲干擾.串聯(lián)C1實(shí)質(zhì)是增加一個(gè)零點(diǎn),零點(diǎn)的作用是減小峰值時(shí)間,使系統(tǒng)響應(yīng)加快,并且閉環(huán)越接近虛軸，這種效果越好所以理論上講,C1是越大越好但要考慮，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，因?yàn)榱泓c(diǎn)越距離虛軸越近,閉環(huán)零點(diǎn)修正系數(shù)Q越大,而Q與超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間成正比,所以又不能大.總之

4、,考慮閉環(huán)零點(diǎn)要折衷考慮.并聯(lián)C2實(shí)質(zhì)是增加一個(gè)及點(diǎn),級(jí)點(diǎn)的作用是增大峰值時(shí)間,使系統(tǒng)響應(yīng)變慢.所以理論上講,C2也是越大越好但要考慮到，當(dāng)零級(jí)點(diǎn)彼此接近時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度相互抵消從這一點(diǎn)就可以說(shuō)明，我們要及時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)C1大,至少比C2大三：環(huán)路穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn).只要在增益為1時(shí)（OdB）整個(gè)環(huán)路的相移小于360度，環(huán)路就是穩(wěn)定的.但如果相移接近360度,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題:1）相移可能因?yàn)闇囟?負(fù)載及分布參數(shù)的變化而達(dá)到360度而產(chǎn)生震蕩;2）接近360度,電源的階躍響應(yīng)（瞬時(shí)加減載）表現(xiàn)為強(qiáng)烈震蕩,使輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間加長(zhǎng),超調(diào)量增加.如下圖所示具體關(guān)系.OdB陽(yáng)ICJdHHl.kllLih-.-r

5、LTFi.JlHniAFfjii4.kKl-kKipUkllf?OdB陽(yáng)ICJdHHl.kllLih-.-rLTFi.JlHniAFfjii4.kKl-kKipUkllf?lilHLMHI.a0dRtQ2nsDDtUru證卩responseniihcM-cwcHxflrrsyncnt,Li(9.MJ2nsDDtUru證卩responseniihcM-cwcHxflrrsyncnt,Li(9.MJjuh!N27k0tv*nokHvtfuexofQ0Oil1A*I0Oil1相位裕度這里要注意一點(diǎn),就是補(bǔ)償放大器工作在負(fù)反饋狀態(tài),本身就有180度相移,所以留給功率部分和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的只有180度.幅值裕

6、度不管用上面哪種補(bǔ)償方式都是自動(dòng)滿(mǎn)足的,所以設(shè)計(jì)時(shí)一般不用特別考慮由于增益曲線(xiàn)為-20dB/decade時(shí)，此曲線(xiàn)引起的最大相移為90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成的整個(gè)增益曲線(xiàn)應(yīng)該為-20dB/decade部分穿過(guò)0dB.在低于0dB帶寬后，曲線(xiàn)最好為-40dB/decade,這樣增益會(huì)迅速上升，低頻部分增益很高，使電源輸出的直流部分誤差非常小,既電源有很好的負(fù)載和線(xiàn)路調(diào)整率.四,如何設(shè)計(jì)控制環(huán)路?經(jīng)常主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的,設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計(jì).我們的前提就是假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成,然后來(lái)探討環(huán)路設(shè)計(jì).環(huán)路設(shè)計(jì)一般由下面幾過(guò)程組成:1）畫(huà)出已知部分的頻響曲

7、線(xiàn).2）根據(jù)實(shí)際要求和各限制條件確定帶寬頻率既增益曲線(xiàn)的OdB頻率.3）根據(jù)步驟2）確定的帶寬頻率決定補(bǔ)償放大器的類(lèi)型和各頻率點(diǎn).使帶寬處的曲線(xiàn)斜率為20dB/decade,畫(huà)出整個(gè)電路的頻響曲線(xiàn).上述過(guò)程也可利用相關(guān)軟件來(lái)設(shè)計(jì)如pspice,POWER-4-5-6.些解釋?zhuān)弘娫?已知電源0已知部分的頻響曲線(xiàn)是指除Kea（補(bǔ)償放大器）外的所有部分的乘積在波得圖上是相加.環(huán)路帶寬當(dāng)然希望越高越好，但受到幾方面的限制：a）香農(nóng)采樣定理決定了不可能大于1/2Fs;b）右半平面零點(diǎn)（RHZ）的影響,RHZ隨輸入電壓，負(fù)載，電感量大小而變化，幾乎無(wú)法補(bǔ)償，我們只有把帶寬設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)離它，一般取其1/4-1/

8、5;c）補(bǔ)償放大器的帶寬不是無(wú)窮大，當(dāng)把環(huán)路帶寬設(shè)的很高時(shí)會(huì)受到補(bǔ)償放大器無(wú)法提供增益的限制,及電容零點(diǎn)受溫度影響等.所以一般實(shí)際帶寬取開(kāi)關(guān)頻率的1/6-1/10五,反激設(shè)計(jì)實(shí)例條件:輸入85-265V交流，整流后直流100-375V輸出12V/5A初級(jí)電感量370uH初級(jí)匝數(shù):40T,次級(jí):5T次級(jí)濾波電容1000uFX3=3000uF震蕩三角波幅度.2.5V開(kāi)關(guān)頻率100K電流型控制時(shí),取樣電阻取0.33歐姆下面分電壓型和峰值電流型控制來(lái)設(shè)計(jì)此電源環(huán)路.所有設(shè)計(jì)取樣點(diǎn)在輸出小LC前面.如果取樣點(diǎn)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(shè)用3842,傳遞函數(shù)如下N

9、D)Gr-瘴Imic*i1*D)iLa(VlfcNV.)(:為営出iLii.UJJi111HillIlli11muMillujiiiiirmnHiiiLL.L1JJ11u1!Diiiiiiriiiiiitir丨ihiiiii1iiliumi111iiii_2+*+4+卅卜4M4川M141milI-rII丨1IIM!IllllllllIII!IIlliIIIHill!t4t4t+t1litI卜計(jì)卄I他卜卜卜州卅十卜汁卅卄1IIIIIIHIIII1IIIIIllilllllIIIItill!t_tittinriUMM11flllffII川IIminiiihiiiiiiiiiiiiihihiiiii

10、nnii100IDO的囪出電思ESRI.(ls/53K)*(ls/3SKG(s)=194*l+s/33100011T/25VESRYOm歐姆輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大自身阻容形成的零點(diǎn)比較高這樣在8K處的相位滯后比較大.Phanseangle二arctan(8/5.3)-arctan(8/O.O33)-arctan(8/33)=-47度.如果還用單極點(diǎn)補(bǔ)償,則帶寬處相位裕量為180-90-47=43度.偏小.用2型補(bǔ)償來(lái)提升.三個(gè)點(diǎn)的選取,第一個(gè)極點(diǎn)在原點(diǎn),第一的零點(diǎn)一般取在帶寬的1/5左右,這樣在帶寬處提升相位78度左右,此零點(diǎn)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,

11、此處我們?nèi)?.6K第二個(gè)極點(diǎn)的選取一般是用來(lái)抵消ESR零點(diǎn)或RHZ零點(diǎn)引起的增益升高,保證增益裕度我們用它來(lái)抵消ESR零點(diǎn),使帶寬處保持-20db/10decade的形狀，我們?nèi)SR零點(diǎn)頻率5.3K數(shù)值計(jì)算:8K處功率部分的增益為-20*log(5300/33)+20*log19.4=-18dB因?yàn)閹?K,即最后合成增益曲線(xiàn)8K處OdB所以8K處補(bǔ)償放大器增益應(yīng)為18dB,5.3K處增益=18+20log(8/5.3)=21.6dB水平部分增益=20logR2/R1=21.6推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=12

12、7pF.fz1=1/2*pi*R2C1推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.相位Phanstangle=-Al-90-FaiT：Un(8/l.dyanctanf8/5.5=-115擔(dān)離廉130-115=65度孩仿真圖=110100WOOWOODWOOOO1QKKJOOFrequency(Hi)zWHIBmZL.X電壓型邸h*我心同樣設(shè)計(jì)帶寬為旣礎(chǔ)函數(shù)址入G-Va/VcKrada(K：pwrRnrl鯊陽(yáng)丄一110100WOOWOODWOOOO1QKKJOOFrequency(Hi)zWHIBmZL.X電壓型邸h*我心同樣設(shè)計(jì)帶寬為旣礎(chǔ)函數(shù)址入G-Va/VcKrada

13、(K：pwrRnrl鯊陽(yáng)丄一也一ax*UdFD-SXh(Vhio)cterti電客Ik奔電春ESR*0-1IhNRii*qH】”pl1高鎖IOOOif電國(guó)的ESRiRe-3Dni歐&(l+i5JK*(tsK)G(i)=VAfc=M#:1+:+114*39913799J(0-3799(2*pi)605Hzfo為L(zhǎng)C諧振頻率，注意Q值并不是用的計(jì)算值而是經(jīng)驗(yàn)值，因?yàn)橛?jì)算的Q無(wú)法考慮LC串聯(lián)回路的損耗（相當(dāng)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(yīng)等在實(shí)際電路中Q值幾乎不可能大于45.GrIiidll+80miM廠門(mén)TilingiimmiffTiiiiifIlllllllri

14、iiiiiiLllljJJliriiiiiiiimuL.L11IJJ11iiiiiii1mmGrIiidll+80miM廠門(mén)TilingiimmiffTiiiiifIlllllllriiiiiiiLllljJJliriiiiiiiimuL.L11IJJ11iiiiiii1mmifrriiiiiirnwliliJU20卜計(jì)他十計(jì)卄I怖-201I1I川ITTPVIFfII1111illIIIIIIIIIHillIIIHlilt60IHillIIIIIIIIIlli|IlllllllII11Hill*t*i*rfiniiLtmiiii計(jì)“rriiwrtr廿帥i1I0111IIlllllllIIlll

15、llllIIlllllllmo由于輸出有LC諧振，在諧振點(diǎn)相位變動(dòng)很劇烈，會(huì)很快接近180度，所以需要用3型補(bǔ)償放大器來(lái)提升相位.其零,極點(diǎn)放置原則是這樣的,在原點(diǎn)有一極點(diǎn)來(lái)提升低頻增益,在雙極點(diǎn)處放置兩個(gè)零點(diǎn)，這樣在諧振點(diǎn)的相位為-90+(-90)+45+45=-90.在輸出電容的ESR處放一極點(diǎn),來(lái)抵消ESR的影響，在RHZ處放一極點(diǎn)來(lái)抵消RHZ引起的高頻增益上升元件數(shù)值計(jì)算,為方便我們把3型補(bǔ)償?shù)膱D在重畫(huà)一下.9*1(1MR2C1NIIR1C3)sRICIUsR2C2)(sR33)9*1(1MR2C1NIIR1C3)sRICIUsR2C2)(sR33)R2RJ、1SpIHKlIIpIRlCJ適用干餐謹(jǐn)函數(shù)有取掘虐的補(bǔ)償!llRZCl12R3從補(bǔ)償圖上可知.此處増?jiān)酵?01og(R21)-36.得出*R2-l.5rRl-203K!/2i*Rl*C3)-6a5.一136rflA：2*pi*R3*C3)=33KR3=355KJll/C3*pt*R2*C2)-5.3KC2-lnF,護(hù)核算St社的相垃：卜180+蠻觸8/5.齊媒加射33)卄_就十嚴(yán)輕觸gfll.60眄坦gf的一