1、.今天作為工程師 ,每天接觸的是電源的設(shè)計工程師,發(fā)現(xiàn)不管是電源的老手,高手 ,新手 ,幾乎對控制環(huán)路的設(shè)計一籌莫展 ,基本上靠實驗 .靠實驗當(dāng)然是可以的 ,但出問題時往往無從下手 ,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 ),大概說一下怎么計算 ,至少使大家在有問題時能從理論上分析出解決問題的思路.示意圖 :;.這里給出了右半平面零點的原理表示,這對用 PSPICE 做仿真很有用,可以直接套用此圖.遞函數(shù)自己寫吧,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,極點說明了增益和相位的變化二：單極點補償 ,適用于電流型控制和工作在DCM 方式并且濾波電容的ESR 零點頻率較低的電源 .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. 也叫主極點補償.;.雙極點 ,單零點補償 ,適用于功率部分只有一個極點的補償 .如 :所有電流型控制和非連續(xù)方式電壓型控制 .三極點 ,雙零點補償 .適用于輸出帶 LC 諧振的拓?fù)?,如所有沒有用電流型控制的電感電流連續(xù)方式拓?fù)洹?.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 增加了一個高頻極點,降低開關(guān)躁聲

3、干擾.串聯(lián) C1 實質(zhì)是增加一個零點 ,零點的作用是減小峰值時間 ,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)時間 ,因為零點越距離虛軸越近 ,閉環(huán)零點修正系數(shù) Q 越大 ,而 Q 與超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間成正比 ,所以又不能大 . 總之 ,考慮閉環(huán)零點要折衷考慮 .并聯(lián)C2 實質(zhì)是增加一個及點,級點的作用是增大峰值時間,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)零級點彼此接近時 ,系統(tǒng)響應(yīng)速度相互抵消 .從這一點就可以說明 ,我們要及時響應(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

4、要在增益為1 時 (0dB)整個環(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 ,會產(chǎn)生兩個問題:1)相移可能因為溫度,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) (瞬時加減載 )表現(xiàn)為強烈震蕩 ,使輸出達(dá)到穩(wěn)定的時間加長 ,超調(diào)量增加 .如下圖所示具體關(guān)系 .;.所以環(huán)路要留一定的相位裕量 ,如圖 Q=1 時輸出是表現(xiàn)最好的 ,所以相位裕量的最佳值為 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(fù)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(luò)的只有1

5、80 度 .幅值裕度不管用上面哪種補償方式都是自動滿足的,所以設(shè)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增益曲線應(yīng)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 ,使電源輸出的直流部分誤差非常小 ,既電源有很好的負(fù)載和線路調(diào)整率 .四,如何設(shè)計控制環(huán)路?經(jīng)常主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計的,設(shè)計時一般不會提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計.我們的前提就是假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計完成,然后來探討環(huán)路設(shè)計.環(huán)路設(shè)

6、計一般由下面幾過程組成:1)畫出已知部分的頻響曲線.2)根據(jù)實際要求和各限制條件確定帶寬頻率,既增益曲線的0dB 頻率 .3)根據(jù)步驟2)確定的帶寬頻率決定補償放大器的類型和各頻率點.使帶寬處的曲線斜率為20dB/decade, 畫出整個電路的頻響曲線.上述過程也可利用相關(guān)軟件來設(shè)計:如 pspice,POWER-4-5-6.一些解釋 :;.已知部分的頻響曲線是指除Kea(補償放大器 )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 (RHZ)的影響 ,RHZ 隨輸入電壓 ,負(fù)載 ,電感量大小而變

7、化 ,幾乎無法補償 ,我們只有把帶寬設(shè)計的遠(yuǎn)離它 ,一般取其 1/4-1/5;c) 補償放大器的帶寬不是無窮大 ,當(dāng)把環(huán)路帶寬設(shè)的很高時會受到補償放大器無法提供增益的限制,及電容零點受溫度影響等.所以一般實際帶寬取開關(guān)頻率的1/6-1/10五,反激設(shè)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1000uFX3=3000uF震蕩三角波幅度.2.5V 開關(guān)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(shè)計此電源環(huán)路.所有設(shè)計取樣點在輸出小LC 前面 .

8、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(shè)用 3842,傳遞函數(shù)如下;.此圖為補償放大部分原理圖 .RHZ 的頻率為 33K,為了避免其引起過多的相移 ,一般取帶寬為其頻率的 1/4-1/5, 我們?nèi)?1/4 為 8K.分兩種情況 :A)輸出電容ESR較大;.輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大,自身阻容形成的零點比較低,這樣在8K 處的相位滯后比較小.Phanseangle=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 -2

9、0dB/decade 的曲線形狀 .省掉補償部分的 R2,C1.設(shè) Rb 為 5.1K,則 R1=(12-2.5)/2.5*Rb=19.4K.8K 處功率部分的增益為-20*log(1225/33)+20*log19.4=-5.7dB因為帶寬8K,即 8K 處 0dB所以 8K 處補償放大器增益應(yīng)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;.;.輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大

10、,自身阻容形成的零點比較高,這樣在 8K 處的相位滯后比較大.Phanseangle=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 .三個點的選取 ,第一個極點在原點 ,第一的零點一般取在帶寬的 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.第二個極點的選取一般是用來抵消ESR零點或 RHZ 零點引起的增益升高,保證增益裕度 .我們用它來抵

11、消 ESR零點 ,使帶寬處保持 -20db/10decade 的形狀 ,我們?nèi)?ESR零點頻率 5.3K數(shù)值計算 :8K 處功率部分的增益為-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(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)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1推出 C1=1/(2*3.1

12、4*233K*1.6K)=0.427nF.相位;.fo 為 LC 諧振頻率 ,注意 Q 值并不是用的計算值,而是經(jīng)驗值 ,因為計算的Q 無法考慮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.在實際電路中 Q 值幾乎不可能大于4 5.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的,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 ,這樣在諧振點的相位為 -90+(-90)+45+45=-90. 在輸出電容的 ESR 處放一極點 , 來抵消 ESR的影響 ,在 RHZ 處放一極點來抵消 RHZ 引起的高頻增益上升 .;.元件數(shù)值計算 ,為方便我們把3 型補償?shù)膱D在重畫一下.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(dāng)把兩