DC-DC模塊電源反饋電路的設(shè)計(jì)方法

1、自動(dòng)控系統(tǒng)的基本形式：自動(dòng)控系統(tǒng)的基本形式：控制器被控對象輸入量控制量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)控制器被控對象輸入量控制量輸出量閉環(huán)控制系統(tǒng)誤差量反饋環(huán)節(jié)反饋量+ -自動(dòng)控系統(tǒng)的基本形式：自動(dòng)控系統(tǒng)的基本形式：控制器1被控對象輸入量控制量輸出量雙環(huán)控制系統(tǒng)誤差量反饋環(huán)節(jié)反饋量+ -控制器2+ -反饋環(huán)節(jié)輸入量1誤差量1內(nèi)環(huán)反饋輸出量 Vo輸入量反饋量控制量 Ve控制量 If控制量 D內(nèi)環(huán) 反饋量內(nèi)環(huán)輸入量Small Signal Analysis and Transfer Function PI ControllerOptic CouplerPWMPower StageModeling DC/DC C

2、onverter with Small signal Analysis自動(dòng)控制系統(tǒng)需分析解決的問題：自動(dòng)控制系統(tǒng)需分析解決的問題：1.穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性問題是任一自動(dòng)控制系統(tǒng)能否實(shí)際應(yīng)用的必要條件，自動(dòng)控制理論應(yīng)給出影響穩(wěn)定性的因數(shù)，并給出各種因數(shù)引起穩(wěn)定或不穩(wěn)定的范圍。2.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：即在穩(wěn)態(tài)情況下，控制系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度，以及控制系統(tǒng)對各種干擾的抑制能力。3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)：當(dāng)輸入量改變或者有干擾引入后，控制系統(tǒng)以多快以及怎樣的方式達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：變換環(huán)節(jié)c(t)r(t)(.)()()(.)()(1111101trbtrbt

3、rbtcatcatcmdtddtdndtddtdmmmmnnnn常微分方程描述：拉普拉斯變換：0)()(dtetcsCts)(.)()()(.)()(11011sRbsRsbsRsbsCasCsasCsmmmnnn當(dāng) 時(shí)拉普拉斯變換即為傅立葉變換is 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：變換環(huán)節(jié)r(t)c(t)(.)()()(.)()(11011sRbsRsbsRsbsCasCsasCsmmmnnn)()()(.)(11110sRsGsRasasbsbsbsCmnnmmmmnnmmmasasbsbsbsG.)(11110自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：G(s)R(s

4、)C(s)G1(s)R(s)C(s)G2(s)()()(sRsGsC)()(2)( 1)(sRsGsGsC)(2)( 1)(sGsGsGG2(s)R(s)C(s)G1(s)+ -)( 1)()( 1)(sRsRsGsCR1(s)()(2)()( 1sCsGsRsG)()(2)( 11)( 1)(sRsGsGsGsC)(2)( 11)( 1)(sGsGsGsG自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：mnnmmmasasbsbsbsG.)(111101.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)G(s)：所有控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)均為一有理多項(xiàng)分式， 其中s為復(fù)數(shù)。2.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)G(s)的零點(diǎn)：的零點(diǎn)：即復(fù)數(shù)方程

5、 的根，即使G(s)為零的s的取值。3.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)G(s)的極點(diǎn)：的極點(diǎn)：即復(fù)數(shù)方程 的根，即使G(s)為無窮大的s的取值。G(s)R(s)C(s)0.110mmmbsbsb0.11nnnasas反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：G2(s)R(s)C(s)G1(s)+ -R1(s)(1)( 1)(2)( 11)( 1)(sGsGsGsGsGsH)()()(sRsHsCG(s)=G1(s)G2(s) 稱為反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)，可以通過分析稱為反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)，可以通過分析G(s)的行為來考察反饋回路的穩(wěn)定性，即當(dāng)?shù)男袨閬砜疾旆答伝芈返姆€(wěn)定性，即當(dāng)G(s)=-1或接近或接近

6、-1時(shí)系統(tǒng)將時(shí)系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定變得不穩(wěn)定.開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性（波特圖）：開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性（波特圖）：Open Loop Gain Phase Curve:Gain f ( )20 logG 2 i f Phase f ( )arg G 2 i f 18010011031104110518016014012010080604020020406080100120140160180Gain f ( )Phase f ( )fOpen Loop Gain Phase Curve:Gain f ( )20 logG 2 i f Phase f ( )arg G 2 i f 1801001103

7、1104110518016014012010080604020020406080100120140160180Gain f ( )Phase f ( )f反饋帶寬(kHz)相角裕量(degree)增益裕度(db)40o10db9kHz開環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)：開環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)：1.相位在低頻段趨向于180度（即保證系統(tǒng)是負(fù)反饋系統(tǒng)）。2.在增益大于0的區(qū)間，相位必須大于0度。3.在相位等于或接近0度時(shí), 增益必須小于0。開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性的測量：開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性的測量：G2(s)R(s)C(s)G1(s)+ -R1(s)如何測得開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=G1(s)G2(s)?G2(s

8、)R(s)C(s)G1(s)+ -R1(s)ABABf網(wǎng)絡(luò)分析儀G(s)=A(s)/B(s)A/B輸出量 Vo輸入量反饋量控制量 Ve控制量 If控制量 D內(nèi)環(huán) 反饋量內(nèi)環(huán)輸入量B A Source常見電路的傳遞函數(shù)：常見電路的傳遞函數(shù)：RCL復(fù)祖抗傳遞函數(shù)RCj1LjRsLsC1常見電路的傳遞函數(shù)：常見電路的傳遞函數(shù)：RCUiUo11/)(11RCsRUiUosGsCsC11031104110511069080706050403020100102030405060708090Gain f ( )Phase f ( )fR1104C1109一階極點(diǎn)RCp1常見電路的傳遞函數(shù)：常見電路的傳遞函數(shù)

9、：CUiUoR2111122/)(RRRRUiUosGsCsC1001103110411059080706050403020100102030405060708090Gain f ( )Phase f ( )fR11104R21103C1108R12121RRRRR11/)(1212CsRCsRRRRUiUosG一階極點(diǎn)CRp11一階零點(diǎn)CRz1常見電路的傳遞函數(shù)：常見電路的傳遞函數(shù)：sCsCRsLUiUosG11/)(11)(2RCsLCssGCUiUoLRL1106C1104R0.0211031104110511061801651501351201059075604530150153045

10、607590Gain f ( )Phase f ( )f二階極點(diǎn)LCn1光耦電路的傳遞函數(shù)：光耦電路的傳遞函數(shù)：ton: 15ustoff: 510usCTR=Ic/If TL181CTR:12光耦電路的傳遞函數(shù)：光耦電路的傳遞函數(shù)：1)(sCTRsGus53CTR2310611031104110511069080706050403020100102030405060708090Gain f ( )Phase f ( )f一階極點(diǎn)1p積分器的傳遞函數(shù)：積分器的傳遞函數(shù)：CUiUoRR1VrefRCsRUiUosGsC1/)(1-+R1104C11081101001103110411051801

11、6014012010080604020020406080100120140160180Gain f ( )Phase f ( )fPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：C1UiUoR2R1R3VrefsCRsCRRRUiUosGsC12112111/)(1-+R11104R21103C11081101001103110411059075604530150153045607590105120135150165180Gain f ( )Phase f ( )fPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：C1UiUoR2R1R3VrefC2) 1(1/)(211211sCRsCRsCRUiUosG-+

12、12CC 當(dāng) 時(shí)R11104R21103C11108C211091101001103110411059075604530150153045607590105120135150165180Gain f ( )Phase f ( )fPI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則：調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則：C1UiUoR2R1R3VrefC2-+R11104R21103C11108C211091101001103110411059075604530150153045607590105120135150165180Gain f ( )Phase f ( )f1.零點(diǎn)憑率為1/(R1C1), 極點(diǎn)頻率為1/(R1C2)2.零點(diǎn)頻率必須

13、小于極點(diǎn)頻率，即C2C13.R2僅與增益有關(guān)，與零極點(diǎn)無關(guān)。4.R3與反饋特性無關(guān)，僅與電壓設(shè)置有關(guān)。) 1(1/)(211211sCRsCRsCRUiUosG開關(guān)電源反饋電路的設(shè)計(jì)：開關(guān)電源反饋電路的設(shè)計(jì)：1.分析固有電路（包括主功率電路, PWM控制器,光耦等）的相位極性, 確定控制器的極性, 保證負(fù)反饋連接。2.確定固有電路的極點(diǎn)分布情況，一般有輸出濾波器的二階極點(diǎn)，光耦的一階極點(diǎn)，功率電路的特殊極點(diǎn)等。3.設(shè)計(jì)反饋控制器，選擇適當(dāng)?shù)牧泓c(diǎn)補(bǔ)償頻率最低的極點(diǎn)。一般補(bǔ)償12個(gè)極點(diǎn)，補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)越多系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好。4.確定反饋控制器的增益，以獲得最大的帶寬，同時(shí)保證足夠的增益裕度和相角裕量。

14、在無法準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)增益的情況下，可嘗試較小的增益設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)穩(wěn)定，再嘗試較大的增益，以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。二階極點(diǎn)一階極點(diǎn)一階極點(diǎn)零點(diǎn)零點(diǎn)零點(diǎn)開關(guān)電源反饋電路產(chǎn)生震蕩的原因：開關(guān)電源反饋電路產(chǎn)生震蕩的原因：1.零極點(diǎn)發(fā)生偏移。極點(diǎn)往低頻段偏移，或增加了新的極點(diǎn)都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)。2.系統(tǒng)增益發(fā)生變化。如光耦的增益發(fā)生變化，PWM控制器的三角波斜率發(fā)生變化。消除震蕩的方法：消除震蕩的方法：1.降低控制器的增益。2.降低零點(diǎn)頻率。3.讓系統(tǒng)開環(huán)，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其開環(huán)傳遞函數(shù)，以確定零極點(diǎn)分布和增益情況，再采取相應(yīng)對策。Open Loop Gain Phase Curve:Gain f ( )20 logG 2 i f Phase f ( )arg