開關(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(jì)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(diǎn)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.零，極點(diǎn)說明了增益和相位的變化單極點(diǎn)補(bǔ)償，

2、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180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)到度以前使其增益降到0dB.也叫主極點(diǎn)補(bǔ)償.如:所有電流型控制和非連續(xù)方式雙極點(diǎn)，單零點(diǎn)補(bǔ)償，適用于功率部分只有一個極點(diǎn)的補(bǔ)償電壓型控制.三極點(diǎn)，雙零點(diǎn)補(bǔ)償.適用于車出帶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1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(diǎn)，降低開關(guān)躁聲干擾.串耳第Ci是增加一彳固零黑占，零黑占的作用是減小峰值，使系統(tǒng)警鷹加快，并且朗璟越接近虛軸，道種

3、效果越好.所以理上,ci是越大越好.但要考，超量和，因卷零黠越距離虛小由越近，朗璟零黑占修正系數(shù)Q越大，而Q典超量和成正比，所以又不能大亨恩之，考璟零黑占要折衷考.并耳第C2是增加一彳固及黑占,級黑占的作用是增大峰值，使系統(tǒng)警鷹燮慢.所以理上W,C2也是越大越好.但要考到，富零級黠彼此接近疇，系統(tǒng)警鷹速度相互抵消.徙道一黑占就可以明，我憑要及疇警鷹的系統(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（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?yàn)闇囟?，?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

4、躍響應(yīng)（瞬時加減載）表現(xiàn)為強(qiáng)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(diǎn)，就是補(bǔ)償放大器工彳在負(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.幅值裕度不管用上面哪種補(bǔ)償方式都是自動滿足的，所以設(shè)計(jì)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

5、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(jì)控制環(huán)路？.我們的前提經(jīng)常主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時一般不會提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計(jì)就是假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成，然后來探討環(huán)路設(shè)計(jì).環(huán)路設(shè)計(jì)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(shí)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(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn).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(jì)：如pspice,POWER

6、-4-5-6.一些解釋：已知部分的頻響曲線是指除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，幾乎無法補(bǔ)彳H,我們只有把帶寬設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)離它，一般取其1/4-1/5;c）補(bǔ)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(bǔ)償放大器無法提供增益的限制，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初級電感量37

7、0uH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(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)如下此圖為補(bǔ)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)?/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(diǎn)比較低，這樣在8K處的相位滯后比較小.Phanseangl

8、e=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(diǎn)補(bǔ)償，這樣可滿足-20dB/decade的曲線形狀.省掉補(bǔ)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?yàn)閹?K,即8K處0dB所以8K處補(bǔ)償放大器增益應(yīng)為5.7dB,5.7-20*log(Fo/8)=0Fo為補(bǔ)償放大器0dB增益頻率Fo=1/(2*pi*R1C2)=15.42相位裕度:180-22-9

9、0=68度C2=1/(2*pi*R1*15.42)=1/(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF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=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-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)償來提升三個點(diǎn)的選取，第一個極點(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)整率降低此處我們?nèi)?.6K.第二個極點(diǎn)的選

10、取一般是用來抵消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af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8K處0dB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)=127pF.fz1=1/2*pi*

11、R2C1推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.相位fo為LC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4-5.由于輸出有LC諧振,在諧振點(diǎn)相位變動很劇烈，會很快接近180度，所以需要用3型補(bǔ)償放大器來提升相位.其零，極點(diǎn)放置原則是這樣的，在原點(diǎn)有一極點(diǎn)來提升低頻增益，在雙極點(diǎn)處放置兩個零點(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)來抵消ESR的影響，在RHZ處放一極點(diǎn)來抵消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在重畫一下蘭色為功率部分，綠色為補(bǔ)償部分，紅色為整個開環(huán)增益.如果相位裕量不夠時，