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开关电源环路补偿讲解之开关电源反馈环路如何调试设计分析集合分享

2020年08月05日 16:49 次阅读

作为电子工程师,每天接触电源的设计工程师,发现不管是电源的老手,高手、新手,几乎对控制环路的设计一筹莫展,基本上靠实验。当然,靠实验是可以的,但出问题时往往无从下手,在这里我想以反激电源为例子(在所有拓扑中环路是最难的,由于RHZ 的存在),大概说一下电源的环路控制,具体怎么设计,然后是如何计算的,至少使大家在有问题的时候,能够从理论上分析出解决问题的思路。

先简单介绍下,环路设计中用到的一些基本知识。

电源中遇到的零极点

 

 

 

 

以上为示意图,主要说明不同零极点的概念,不代表实际位置

 

电源控制环路常用的3种补偿方式

 

单极点补偿

 

适用于电流型控制和工作在DCM 方式并且滤波电容的ESR 零点频率较低的电源.其主要作用原理是把控制带宽拉低,在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180 度以前使其增益降到0dB. 也叫主极点补偿。

 

双极点、单零点补偿

 

适用于功率部分只有一个极点的补偿。如:所有电流型控制和非连续方式电压型控制。

 

三极点、双零点补偿

 

适用于输出带LC谐振的拓扑,如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑。以上公式中假设C2<

 

环路稳定的标准

 

只要在增益为1 时(0dB)整个环路的相移小于360 度,环路就是稳定的。

但如果相移接近360度,会产生两个问题:

相移可能因为温度,负载及分布参数的变化而达到360 度而产生震荡;

接近360度,电源的阶跃响应(瞬时加减载)表现为强烈震荡,使输出达到稳定的时间加长,超调量增加。如下图所示具体关系:

 

 

所以环路要留一定的相位裕量,如图Q=1时输出是表现最好的,所以相位裕量的最佳值为52度左右,工程上一般取45度以上。如下图所示:

 

这里要注意一点,就是补偿放大器工作在负反馈状态,本身就有180度相移,所以留给功率部分和补偿网络的只有180度。幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的,所以设计时一般不用特别考虑。由于增益曲线为-20dB/decade时,此曲线引起的最大相移为90度,尚有90度裕量,所以一般最后合成的整个增益曲线应该为-20dB/decade部分穿过0dB。在低于0dB带宽后,曲线最好为-40dB/decade,这样增益会迅速上升,低频部分增益很高,使电源输出的直流部分误差非常小,既电源有很好的负载和线路调整率。

如何设计控制环路?

 

经常主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。我们的前提就是假设主功率部分已经全部设计完成,然后来探讨环路设计。环路设计一般由下面几过程组成:

1)画出已知部分的频响曲线;

2)根据实际要求和各限制条件确定带宽频率,既增益曲线的0dB频率;

3)根据步骤2)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点。使带宽处的曲线斜率为20dB/decade,画出整个电路的频响曲线。

上述过程也可利用相关软件来设计,如pspice,POWER-4-5-6。

以下是一些解释:

 

已知部分的频响曲线是指除Kea(补偿放大器)外的所有部分的乘积,在波得图上是相加。

 

环路带宽当然希望越高越好,但受到几方面的限制:

a)香农采样定理决定了不可能大于1/2Fs;

b)右半平面零点(RHZ)的影响,RHZ随输入电压,负载,电感量大小而变化,几乎无法补偿,我们只有把带宽设计的远离它,一般取其1/4-1/5;

c)补偿放大器的带宽不是无穷大,当把环路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制,及电容零点受温度影响等。所以一般实际带宽取开关频率的1/6-1/10。

为帮助大家尽快掌握开关电源环路补偿设计、应用,熟悉自动控制理论的基础知识,如零点/极点概念、对系统的影响,伯德图、相位裕度、穿越频率等,到什么是环路补偿,补偿在电路中的位置及作用、如何设置,再结合经验设计,从功率等级、补偿类型模型电路,学会电源环路补偿整个完整的项目流程,全方位为帮助您解决各种电源环路设计上的难题。为此,小编精选了十本经典的开关电源(SMPS)环路补偿系列入门进阶书籍,供大家学习参考。

1.Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies

 

中文译名:为线性和开关电源设计控制回路:教程指南。本书主要介绍了使用SPICE仿真设计开关电源,巴索的经典开关电源著作之一。作为应届生和经验丰富的工程师,提供了非常宝贵的SPICE模拟和实用设计的理论、案例指导。解释了如何推导目前最流行的电源转换器的创建方法,本书搭配了600多幅开关电源模型,在使用焊锡之前,可以利用本书提供的案例,在SPICE电脑端模拟使用开关电源。

2.Switch-Mode Power Supplies:SPICE Simulations and PracTIcal Designs

 

对于市场上很多开关电源的书籍,要么过于学术,跟实际世界缺乏联系,要么就是太过于实用,缺乏设计实例中所需要用的大多数形式的理论基础。本书通过提供技术性的内容,来填补大部分电源工程师,在“实用性设计”方面的技术空缺。比如:第3章补偿技术,不仅描述了运算放大器,而且很多教科书带有的行业标准TL431,在本书里也有会重点介绍到,例程中会提供一些流程的SPICE编辑器演示例子,提供目前市场上PSIM、Transim、TIna、MulTIsim、Intusoft多种演示电路模拟。

3.开关电源SPICE仿真与实用设计

 

推荐的第2本书的中文译版,推荐大家阅读英文原版基础上,可以借鉴读一下中文版本,加深对电源书籍的理论实践部分的理解。本书特色是给出完整的开关电源变换器的理论、仿真设计方法,只给出必需的理论方程,同时通过大量的实例介绍来仿真分析。

4.Linear Circuit Transfer FuncTIons

 

一本讲解没有繁琐代数的情况下,以更系统的方式计算网络的传递函数。书里有很多例程,所有的答案和技巧,教你如何使用SPICE和MathCAD来双重检查。对于电子电路,电气工程师等专业人士学习很有趣,也很有用。

5.Power Electronics Converters, Applications, and Design(电力电子转换器的应用和设计)

 

本书提供完整英文原版PDF+经典讲义+超详细全套课后答案

 

电力电子转换器应用与设计第2版,英文原版,Ned Mohan著。本书介绍了500Kw功率范围内的转换器应用及相关设计,由新一代功率半导体器件构成的各种实用的、新兴的电力电子转换器。对二极管整流器、晶闸管转换器的扩展讨论,以及关于散热器的新章节,一步步介绍设计方法的磁性元件,数字技术和常用的仿真软件工具(如SPICE、MATLAB和EMTP)等电路模拟仿真。

6.Power Electronics Handbook - Devices, Circuits, and Applications (2011)电力电子手册 - 器件、电路和应用

 

电力电子手册第3版旨在吸引新一代的工程专业人员,本书包含四个章节内容,涵盖了可再生能源、能源传输、能源储存,以及分布式和热电联产(DCG)技术的介绍,包括燃气轮机、发电机组、微型涡轮机、风力涡轮机、变速发电机、光伏发电和燃料电池。学习本书,能够为指定的电力电子设计项目提供技术设计领导,并引导设计从概念到生产,到涉及重大的范围和复杂性的实际应用。

7.DC-to-DC Power Conversion(DC-DC电源转换器)

 

电力电子领域涵盖了所有的工程和科学领域处理电能的转换。每个电力电子领域都有其自身的理论框架、基本原则、分析方法,以及工程学科。本书旨在提供对从事某一特定领域工作的学生、研究人员和工程师,对于电力电子-脉冲宽度调制(PWM)直流到直流电源转换的技能要求。

8.Electric Circuits-10th edition - by James W. Nilsson&James W. Nilsson

 

一本国外的《电路》经典教材,《Electric Circuits》 第十版,作者是詹姆斯。本书适用于想系统了解电路的学生、工程师群体,这本书是近25年来使用最广泛的电路入门教材。提供给学员个性化的学习、辅导,通过电路分析帮助解决如何使用技术,与实际工程师面临的问题相关联,如何评估问题,理解基本方程式和概念理论,帮助学员专注于电路中的关键原理。

9.Fast Analytical Techniques for Electrical & Electronic Circuits(电路电子快速分析技术)

 

目前大多数工程师和学生都知道的电路分析,唯一方法大都是节点或回路分析。这本书独特之处在于,作者描述了解决复杂线性电路符号的形式,和获得任何传递函数或阻抗等有意义参数的替代技术,为工程师提供了一整套解决电路设计问题的强大工具,也提供了读者对于电路操作的理解。

10.开关变换器的建模与控制

 

本书系统论述了开关变换器建模与控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技术以及实用设计方法。主要内容有:连续导电模式(CCM)下开关变换器建模;断续导电模式(DCM)下开关变换器建模;开关调节系统的基础知识;电压控制型开关调节系统;平均电流控制型开关调节系统;峰值电流控制型开关调节系统;开关变换器的仿真技术;谐振变换器建模。

 

十本开关电源(SMPS)必读经典环路补偿设计与分析丛书,资料截图如下:

 

为帮助电源设计新手,工程师能够更好地理解开关电源补偿设计,单独给初学者准备了TI经典环路补偿设计入门教程+学习视频(视频地址,请私聊助教单独索取观看链接~)包括且不限于如下内容:电源转换拓扑器分类、控制环路基础知识、电压/电流模式升/降压功率级、误差放大器、开关稳压器补偿、环路测试方法、负载阶跃分析、环路测量...

 

 

除了理论学习,还给大家准备了开关电源环路补偿仿真、设计与分析相关解决方案,PSPICE仿真模型、简明教程、仿真实例及电源电路优化思路方法。

 

开关电源环路补偿仿真、设计案例

 

PSPICE仿真模型、实例与分析

 

如何领取以上全部开关电源(SMPS)资料呢?

 

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原文标题:好书分享:10本开关电源环路设计收藏精品,每本都是经典!

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