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。