開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖

繼續(xù)學(xué)習(xí)，繼續(xù)看書，繼續(xù)動腦子。

上期已經(jīng)說明了開關(guān)電源滿足三個條件之后，可以看成是線性的了，那么這期就來看看開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖。

一個坑

我一開始就掉進(jìn)一個坑：系統(tǒng)框圖的輸入量為什么不是Vi，而是參考電壓Vref?參考電壓不是固定的嗎?也能作為輸入?

反饋控制系統(tǒng)的輸入量

我有這個問題，是因?yàn)槲掖髮W(xué)課表里面沒有《自動控制原理》，如果學(xué)過的話應(yīng)該就不會有這個問題了。

開關(guān)電源是一個自動控制系統(tǒng)，采取的是反饋控制的方式，是一個反饋控制系統(tǒng)。

下面這兩段話是教材《自動控制原理》的，我挪過來直接用了。

1、反饋控制方式是按照偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差的時(shí)候，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。

2、加到反饋控制系統(tǒng)上的外作用有兩種類型，一種是有用輸入，一種是擾動。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律，如輸入量;而擾動是系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對系統(tǒng)的控制。

仔細(xì)想想，對于我們的buck電源來說，我們的目的并不是說輸出Vo要隨電源Vi的不同而不同，而是不論輸入Vi是多少，都只有一個目的，那就是Vo恒定。

比如我們的5V轉(zhuǎn)3.3V的BUCK，是有反饋的，不管是因?yàn)槭裁醋兓?，只要輸出電壓Vo偏離了3.3V，那么反饋Vfb與期望值Vref就會有偏差，然后系統(tǒng)就會根據(jù)這個偏差調(diào)節(jié)開關(guān)電源的占空比，讓Vfb朝著期望值Vref變化，最終的結(jié)果就是保證了輸出還是3.3V?？傊康木褪潜ＷCVo時(shí)刻為3.3V。

總之，穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出是不變的，或者說系統(tǒng)時(shí)刻自動調(diào)節(jié)，向設(shè)定的輸出值而努力著。

可以想到，輸出量不變的原因，就是因?yàn)槭冀K有一個不變的輸入量，這個輸入量就是Vref，它就是反饋控制系統(tǒng)的有用輸入。

那輸入電壓Vi是什么呢?

Vi我覺得可以理解為系統(tǒng)工作的條件，一個恒定不變的Vi輸入電壓，與系統(tǒng)的穩(wěn)定工作時(shí)所處的狀態(tài)是有關(guān)系的。比如同一個3.3V輸出的BUCK電路，5V輸入和10V輸入，盡管都能輸出3.3V，也都是穩(wěn)定工作的，但是所處狀態(tài)不同，占空比不一樣，傳遞函數(shù)也不同。

如果要類比的話，我覺得這個直流輸入Vi可以看作是靜態(tài)工作點(diǎn)。兄弟們可以體會下，靜態(tài)工作點(diǎn)是三極管的工作條件，然后輸入一般認(rèn)為是交流小信號，三極管放大電路對應(yīng)的放大倍數(shù)一般也是針對交流小信號說的。

另外一方面，現(xiàn)實(shí)中buck的Vi也會有噪聲，這些噪聲可以理解為擾動輸入，對應(yīng)三極管電路的小信號。

當(dāng)然，開關(guān)電源的擾動可以有很多，常見的有Vi的電壓波動，還有負(fù)載電流的突然變化，它們也是現(xiàn)實(shí)電路中存在的。另外還有溫度上升下降，導(dǎo)致器件參數(shù)發(fā)生變化，外部輻射干擾等等。這些都可能會干擾系統(tǒng)運(yùn)行。

經(jīng)過上面的分析，我們可以根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖畫出系統(tǒng)的框圖如下：

當(dāng)然，如果vi作為輸入信號已經(jīng)在腦子里面根深蒂固了也沒關(guān)系。

我們就這么看，當(dāng)輸入Vi突然發(fā)生變化，那么它必然會影響到Vo，Vo發(fā)生變化，那么Vref與反饋就有了差值，差值再通過補(bǔ)償電路得到誤差信號，誤差信號又去改變PWM占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)開關(guān)變換器，讓Vo朝著目標(biāo)值改變。

同樣的，如果負(fù)載電流突然發(fā)生變化，也會直接影響到Vo，同樣也是一級一級過來，系統(tǒng)會調(diào)節(jié)Vo朝著目標(biāo)值改變。

仔細(xì)想想，這里面最關(guān)鍵的是不是下面這么一個環(huán)?

如這個環(huán)夠牛逼，不管輸入到系統(tǒng)的干擾有多強(qiáng)，輸入電壓怎么波動，負(fù)載電流怎么變，都能馬上準(zhǔn)確無誤的調(diào)整出Vo為預(yù)設(shè)值，那這個系統(tǒng)就是鐵打的，金剛不壞。

但實(shí)際上，這顯然是不可能的，信號要一級一級的傳遞，總會有延遲。

比如剛開始時(shí)，如果Vi增大，那么Vo也增大，系統(tǒng)會往Vo減小的方向調(diào)整，但是因?yàn)檎{(diào)整需要時(shí)間，如果還沒調(diào)整完，Vi又減小了，系統(tǒng)又需要往反方向調(diào)整。這樣就有可能造成你需要我大時(shí)我減小，你需要我小時(shí)我又增大了，永遠(yuǎn)都跟不上節(jié)奏，更甚者系統(tǒng)可能就崩了。

從上面一段話，我們應(yīng)該可以看出2層意思：

1、系統(tǒng)的響應(yīng)速度：有干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整需要時(shí)間，也就是有延遲，如果調(diào)整時(shí)間太長，那么響應(yīng)速度必然就慢。

2、系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)不管怎么樣，都不能崩了，導(dǎo)致振蕩Vo不能穩(wěn)定吧

要準(zhǔn)確的判斷一個系統(tǒng)怎么樣，肯定不能僅僅就靠這些文字描述，定性分析下完事，我們肯定要定量分析，那么就要拿出我們之前說的傳遞函數(shù)了。

系統(tǒng)框圖

我們?nèi)サ舾蓴_輸入信號，只看最關(guān)鍵的環(huán)的框圖，然后評估這個環(huán)的性能就可以了。

最終畫出系統(tǒng)框圖如下：

可以看到，框圖的符合我又有了調(diào)整，都帶上了△符號，表示小信號，意思相對于穩(wěn)態(tài)時(shí)的變化量。

之所這樣，是因?yàn)橄到y(tǒng)要線性化，必須有一個條件，那就是小信號假設(shè)，如果不明白，可以看上一期內(nèi)容《開關(guān)電源環(huán)路學(xué)習(xí)筆記(2)-線性條件》

另外可能有2個問題：

1、Vref不是恒定的嗎?怎么還會有波動量△Vref呢?

2、干擾信號怎么沒了，扔掉了?

我是這么看的，干擾信號太多了，我們不可能列出所有的。

但是確認(rèn)一點(diǎn)就是，任何干擾信號輸入，作用在系統(tǒng)上的結(jié)果都是讓Vo發(fā)生了變化，Vo經(jīng)過反饋級和Vref做比較，得到誤差信號△Ve，然后系統(tǒng)根據(jù)這個誤差信號去做調(diào)整。

另一方面，誤差△Ve，它是Vref和Vo經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)之后的信號相減得到的。

原本的系統(tǒng)Vref是不變的，干擾有輸入?，F(xiàn)在假定沒有干擾，而Vref有變動的信號△Vref，效果應(yīng)該是一樣的。反正它們都是相減的關(guān)系。

意思大致如下圖：

不知道對不對，極可能是胡說八道，請自行判斷。。。

框圖簡化

系統(tǒng)框圖已經(jīng)有了，那如何分析呢?我們先把框圖簡化一下，這樣會比較簡單明了。

簡化其實(shí)就是將放大和補(bǔ)償級，PWM調(diào)制級，開光變換器這三級合并，它們會是相乘的關(guān)系，合并過程如下圖。

三級合并之后取個新名字，叫增益級G(s)。

簡化后的框圖

簡化后的框圖非常的清晰明了，我們可以分別寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)傳遞函數(shù)。

按道理來說，判斷系統(tǒng)穩(wěn)不穩(wěn)定，只需要分析閉環(huán)傳遞函數(shù)就可以了，顯然，傳遞函數(shù)分母為0的時(shí)候，意味著只要有一點(diǎn)點(diǎn)輸入信號，那么輸出信號就是無窮大的，即不穩(wěn)定。

但是如果有一定經(jīng)驗(yàn)的話，就會知道，我們通常畫的波特圖并不是閉環(huán)傳遞函數(shù)C(s)，而是開環(huán)傳遞函數(shù)T(s)，這是為什么呢?

這是因?yàn)槲覀儺嫷牟ㄌ貓D通常是對數(shù)坐標(biāo)，而開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式就是各級相乘的關(guān)系，幅度取對數(shù)之后變成相加的關(guān)系，同時(shí)相位也是相加的關(guān)系。

這對于分析問題來說簡直不要太方便，我們可以單獨(dú)分析各級的傳遞函數(shù)，就可以知道它們對整個系統(tǒng)所起的作用了。

而閉環(huán)傳遞函數(shù)取對數(shù)之后是這個：log(C(s))=log(G(s)/(1+T(s)))，各級之間區(qū)分不開，難以分析。