(核心)一次电源环路数字控制培训（20090803李剑）.pptVIP

环路设计 在所有的拓扑结构中，很容易获得各拓扑结构的输入/输出关系。 只要已知了要求的输入和输出电压，剩下的事情就是计算PWM 占空比了。在非常理想的情况下，这就足够了。然而，在实际情况中，事情千变万化。 输入电压会变，负载会变（比如说，接通/ 断开输出负载），元件具有容差、使用寿命和温度漂移，当然总是存在噪声。 因此，系统性能可能会与所期望的有所不同。在意外情况下，为了使系统行为仍处于控制范围之内，必须加一个“控制环”（硬件和/ 或固件）来控制输出电压。 当任何环境条件变化时，控制环可使设计电路输出电压的变化尽可能小。 而且，在某些情况下，控制环可用于防止危险操作情形的发生。 电流控制环能够阻止磁通进入变压器。 在设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是非常重要的一部分。THD、电话衡重杂音、宽频杂音、动态响应、环路裕量等指标与环路设计有着非常密切的关系。 环路的设计与主电路的拓扑和参数有着密切的关系。为了进行稳定性分析，必须建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下，波特图提供了一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。 用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和负载剧烈变化过程）并不准确，必须配合软启动电路、限流电路、箝位电路和其他辅助电路，才能使开关电源的性能满足要求。 反馈环路 下图是一个常见的控制环，其中G(s) 和H(s) 是两个模块的传递函数（脉冲响应的拉普拉斯变换）。x(t) 表示系统的输入信号； y(t) 表示输出，它还通过H(s)模块反馈到输入，将H(s) 模块的输出r(t) 从输入x(t) 中减去后，得到误差信号e(t)。 通过计算可得出输入／输出关系，这个关系被称为闭环增益（GCL(s)） G(s) 与H(s) 两项的乘积，称之为开环增益（GOL(s)）。 控制系统稳定性 在控制理论中的关键是仅通过观察开环增益（GOL(s)）的行为就能确定闭环系统是否稳定以及其稳定性如何。在公式中，分母必须不能等于零；否则，GCL 将变为无穷大。 认为|GOL(s)| = |G(s)H(s)| = 1 的点是fCO（交越频率）。 在此频率处的相位必须不等于180°。 处于安全考虑，要求相位大约为130°至140°，或者相应的相位裕度=（180 - fCO处的相位）≥45°。 控制系统稳定性 通过一些简化，可得到如下的稳定标准：在fCO 处，GOL(s) 的斜率必须等于-20dB/十倍频以及在fCO处的相位裕度必须至少为45°。这些只是稳定的充分条件，但由于其简洁性，所以得到了广泛应用。 通过观察传递函数GOL(s)，可知它是多项式的比值。 经过一系列转换，GOL(s)的分子和分母可以转化为一阶项的乘积。 分子的每项都是零点，分母的每项都是极点。 在通常情况下，和电源单元中的一样，每个零点使开环增益相位增加+π/2，而每个极点使其增加–π/2。 从开环增益的角度来看，每个零点引起增益斜率本身+20 dB/ 十倍频的变化，而每个极点引起-20 dB/ 十倍频的变化。 因此，前面提到的关于GOL(s) 斜率的标准可以解释为，在交越频率（fCO）附近，控制环增益的总作用与单极点系统的作用相当。 零点/极点 模拟环路补偿 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。 模拟环路补偿 单零点双极点补偿，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。零点越低，相位提升越明显，但低频增益也越低；极点的选取一般是用来抵消ESR零点或RHZ零点引起的增益升高，保证增益裕度。 模拟环路补偿 双零点三极点补偿。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。由于输出有LC谐振，在谐振点相位变动很剧烈，会很快接近180度，所以需要用3型补偿放大器来提升相位。 在原点有一极点来提升低频增益，在双极点处放置两个零点，这样在谐振点的相位为-90+(-90)+45+45=-90.在输出电容的ESR处放一极点，来抵消ESR的影响，在RHZ处放一极点来抵消RHZ引起的高频增益上升。 如果相位裕量不够时，可适当把两个零点位置提前，也可把第一个极点位置放后一点。 环路稳定标准 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：1）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；2）接近360度，电源的阶跃