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環(huán)路補(bǔ)償是在設(shè)計(jì)DCDC的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)所有的輸入輸出參數(shù)，元件都定下了，改變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)然環(huán)路補(bǔ)償是比較復(fù)雜的，還涉及到電路的建模提取，自動(dòng)控制原理。
因?yàn)椴幌胴?fù)反饋?zhàn)兂烧答?。所以有幅頻裕度，相位裕度。
什么時(shí)候會(huì)變成正反饋?在高頻噪聲的干擾下。因?yàn)閷?duì)特性的f會(huì)產(chǎn)生正反饋，所以即使是很小的噪聲信號(hào)，最后也會(huì)被放大成很大的干擾。
變成正反饋會(huì)怎么樣?開關(guān)的PWM的D會(huì)跳動(dòng)。因?yàn)樘鴦?dòng)，電感電容會(huì)發(fā)聲。輸出波形的不穩(wěn)定。
為什么要環(huán)路補(bǔ)償：
滿足幅頻裕度，相位裕度是基礎(chǔ)
首先DC增益要大，那就直流信號(hào)的調(diào)整會(huì)又快，誤差有效
帶寬要大，那就瞬態(tài)響應(yīng)也會(huì)好。
以-1的速度，穿過0db。
我們想要把環(huán)路的伯德圖補(bǔ)償成什么樣子?
我們知道測試電源的波特圖并且由此判斷穩(wěn)定性是非常重要的。一般來說，我們需要做到的是穿越頻率在1/10-1/5開關(guān)頻率，相位余量在45°以上
網(wǎng)上找了一個(gè)環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的圖，大家可以參考下
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一、零極點(diǎn)概念
在信號(hào)處理系統(tǒng)中，
當(dāng)系統(tǒng)輸入幅度不為零且輸入頻率使系統(tǒng)輸出為零時(shí)，此輸入頻率值即為零點(diǎn)。
當(dāng)系統(tǒng)輸入幅度不為零且輸入頻率使系統(tǒng)輸出為無窮大(系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，發(fā)生振蕩)時(shí)，此頻率值即為極點(diǎn)。
這里給出了右半平面零點(diǎn)的原理表示，這對(duì)用PSPICE 做仿真很有用，可以直接套用此圖。
傳遞函數(shù)：把輸出電壓除以輸入電壓就是傳遞函數(shù).
bode 圖可以簡單的判定電路的穩(wěn)定性,甚至可以確定電路的閉環(huán)響應(yīng),就向我下面的圖中表示的.零,極點(diǎn)說明了增益和相位的變化
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二：單極點(diǎn)補(bǔ)償
適用于電流型控制和工作在DCM 方式并且濾波電容的ESR 零點(diǎn)頻率較低的電源.其主要作用原理是把控制帶寬拉低,在功率部分或加有其他補(bǔ)償?shù)牟糠值南辔贿_(dá)到180 度以前使其增益降到0dB. 也叫主極點(diǎn)補(bǔ)償。
雙極點(diǎn),單零點(diǎn)補(bǔ)償,適用于功率部分只有一個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償。如:所有電流型控制和非連續(xù)方式電壓型控制。
三極點(diǎn),雙零點(diǎn)補(bǔ)償.適用于輸出帶LC諧振的拓?fù)?如所有沒有用電流型控制的電感電流連續(xù)方式拓?fù)?。一般C2<
1/R1C1確實(shí)存在一個(gè)在遠(yuǎn)點(diǎn)的極點(diǎn)。上圖，橫軸是頻率軸，豎軸是增益軸。從后軸往左時(shí)(低頻)增益按照20db升高，往右時(shí)(高頻)按照20db減少
C1 的主要作用是和R2 提升相位的.當(dāng)然提高了低頻增益.在保證穩(wěn)定的情況下是越小越好。
C2 增加了一個(gè)高頻極點(diǎn),降低開關(guān)躁聲干擾。
串聯(lián)C1 實(shí)質(zhì)是增加一個(gè)零點(diǎn),零點(diǎn)的作用是減小峰值時(shí)間,使系統(tǒng)響應(yīng)加快,并且閉環(huán)越接近虛軸,這種效果越好.所以理論上講,C1 是越大越好.但要考慮,超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間,因?yàn)榱泓c(diǎn)越距離虛軸越近,閉環(huán)零點(diǎn)修正系數(shù)Q 越大,而Q 與超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間成正比,所以又不能大.總之,考慮閉環(huán)零點(diǎn)要折衷考慮。
并聯(lián)C2 實(shí)質(zhì)是增加一個(gè)極點(diǎn),極點(diǎn)的作用是增大峰值時(shí)間,使系統(tǒng)響應(yīng)變慢.所以理論上講,C2也是越大越好.但要考慮到,當(dāng)零極點(diǎn)彼此接近時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)速度相互抵消.從這一點(diǎn)就可以說明,我們要及時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)C1 大,至少比C2 大。
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三：環(huán)路穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)
只要在增益為1 時(shí)(0dB)整個(gè)環(huán)路的相移小于360 度,環(huán)路就是穩(wěn)定的.
但如果相移接近360 度,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題:1)相移可能因?yàn)闇囟?負(fù)載及分布參數(shù)的變化而達(dá)到360 度而產(chǎn)生震蕩;2)接近360 度,電源的階躍響應(yīng)(瞬時(shí)加減載)表現(xiàn)為強(qiáng)烈震蕩,使輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間加長,超調(diào)量增加.如下圖所示具體關(guān)系.
所以環(huán)路要留一定的相位裕量,如圖Q=1時(shí)輸出是表現(xiàn)最好的,所以相位裕量的最佳值為52度左右,工程上一般取45度以上.如下圖所示:
這里要注意一點(diǎn),就是補(bǔ)償放大器工作在負(fù)反饋狀態(tài),本身就有180度相移,所以留給功率部分和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的只有180度.幅值裕度不管用上面哪種補(bǔ)償方式都是自動(dòng)滿足的,所以設(shè)計(jì)時(shí)一般不用特別考慮.由于增益曲線為-20dB/decade時(shí),此曲線引起的最大相移為90度,尚有90度裕量,所以一般最后合成的整個(gè)增益曲線應(yīng)該為-20dB/decade部分穿過0dB.在低于0dB帶寬后,曲線最好為-40dB/decade,這樣增益會(huì)迅速上升,低頻部分增益很高,使電源輸出的直流部分誤差非常小,既電源有很好的負(fù)載和線路調(diào)整率.
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四：如何設(shè)計(jì)控制環(huán)路?
經(jīng)常主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的,設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計(jì).我們的前提就是假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成,然后來探討環(huán)路設(shè)計(jì).環(huán)路設(shè)計(jì)一般由下面幾過程組成:
1)畫出已知部分的頻響曲線。
2)根據(jù)實(shí)際要求和各限制條件確定帶寬頻率,既增益曲線的0dB頻率。
3)根據(jù)步驟2)確定的帶寬頻率決定補(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn).使帶寬處的曲線斜率為20dB/decade,畫出整個(gè)電路的頻響曲線。
上述過程也可利用相關(guān)軟件來設(shè)計(jì):如pspice,POWER-4-5-6.一些解釋:
已知部分的頻響曲線是指除Kea(補(bǔ)償放大器)外的所有部分的乘積,在波得圖上是相加。
環(huán)路帶寬當(dāng)然希望越高越好,但受到幾方面的限制：
a)香農(nóng)采樣定理決定了不可能大于1/2Fs;
b)右半平面零點(diǎn)(RHZ)的影響,RHZ隨輸入電壓,負(fù)載,電感量大小而變化,幾乎無法補(bǔ)償,我們只有把帶寬設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)離它,一般取其1/4-1/5;
c)補(bǔ)償放大器的帶寬不是無窮大,當(dāng)把環(huán)路帶寬設(shè)的很高時(shí)會(huì)受到補(bǔ)償放大器無法提供增益的限制,及電容零點(diǎn)受溫度影響等.所以一般實(shí)際帶寬取開關(guān)頻率的1/6-1/10
五：反激設(shè)計(jì)實(shí)例
條件：
輸入85-265V交流,整流后直流100-375V輸出12V/5A
初級(jí)電感量370uH初級(jí)匝數(shù):40T,次級(jí):5T
次級(jí)濾波電容1000uFX3=3000uF震蕩三角波幅度.2.5V開關(guān)頻率100K電流型控制時(shí),取樣電阻取0.33歐姆
下面分電壓型和峰值電流型控制來設(shè)計(jì)此電源環(huán)路.所有設(shè)計(jì)取樣點(diǎn)在輸出小LC前面.如果取樣點(diǎn)在小LC后面,由于受LC諧振頻率限制,帶寬不能很高.1)電流型控制
假設(shè)用3842,傳遞函數(shù)如下
此圖為補(bǔ)償放大部分原理圖.RHZ的頻率為33K,為了避免其引起過多的相移,一般取帶寬為其頻率的1/4-1/5,我們?nèi)?/4為8K.
分兩種情況:
A)輸出電容ESR較大
輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大,自身阻容形成的零點(diǎn)比較低,這樣在8K處的相位滯后比較小.Phanseangle=arctan(8/1.225)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=--22度。
另外可看到在8K處增益曲線為水平,所以可以直接用單極點(diǎn)補(bǔ)償,這樣可滿足-20dB/decade的曲線形狀.省掉補(bǔ)償部分的R2,C1。
設(shè)Rb為5.1K,則R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.
8K處功率部分的增益為-20*log(1225/33)+20*log19.4=-5.7dB因?yàn)閹?K,即8K處0dB
所以8K處補(bǔ)償放大器增益應(yīng)為5.7dB,5.7-20*log(Fo/8)=0Fo為補(bǔ)償放大器0dB增益頻率Fo=1/(2*pi*R1C2)=15.42
C2=1/(2*pi*R1*15.42)=1/(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF相位裕度:180-22-90=68度
藍(lán)色為功率部分，綠色為補(bǔ)償部分，紅色為整個(gè)開環(huán)增益
輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大,自身阻容形成的零點(diǎn)比較高,這樣在8K處的相位滯后比較大。
Phanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度。
如果還用單極點(diǎn)補(bǔ)償,則帶寬處相位裕量為180-90-47=43度.偏小.用2型補(bǔ)償來提升。
三個(gè)點(diǎn)的選取,第一個(gè)極點(diǎn)在原點(diǎn),第一的零點(diǎn)一般取在帶寬的1/5左右,這樣在帶寬處提升相位78度左右,此零點(diǎn)越低,相位提升越明顯,但太低了就降低了低頻增益,使輸出調(diào)整率降低,此處我們?nèi)?.6K.第二個(gè)極點(diǎn)的選取一般是用來抵消ESR零點(diǎn)或RHZ零點(diǎn)引起的增益升高,保證增益裕度.我們用它來抵消ESR零點(diǎn),使帶寬處保持-20db/10decade的形狀,我們?nèi)SR零點(diǎn)頻率5.3K
數(shù)值計(jì)算:
8K處功率部分的增益為-20*log(5300/33)+20*log19.4=-18dB
因?yàn)閹?K,即最后合成增益曲線8K處0dB
所以8K處補(bǔ)償放大器增益應(yīng)為18dB,5.3K處增益=18+20log(8/5.3)=21.6dB水平部分增益=20logR2/R1=21.6
推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2
推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1
推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.
相位
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fo為LC諧振頻率,注意Q值并不是用的計(jì)算值,而是經(jīng)驗(yàn)值,因?yàn)橛?jì)算的Q無法考慮LC串聯(lián)回路的損耗(相當(dāng)于電阻),包括電容ESR,二極管等效內(nèi)阻,漏感和繞組電阻及趨附效應(yīng)等.在實(shí)際電路中Q值幾乎不可能大于4—5.
由于輸出有LC諧振,在諧振點(diǎn)相位變動(dòng)很劇烈,會(huì)很快接近180度,所以需要用3型補(bǔ)償放大器來提升相位.其零,極點(diǎn)放置原則是這樣的,在原點(diǎn)有一極點(diǎn)來提升低頻增益,在雙極點(diǎn)處放置兩個(gè)零點(diǎn),這樣在諧振點(diǎn)的相位為-90+(-90)+45+45=-90.在輸出電容的ESR處放一極點(diǎn),來抵消ESR的影響,在RHZ處放一極點(diǎn)來抵消RHZ引起的高頻增益上升。
元件數(shù)值計(jì)算,為方便我們把3型補(bǔ)償?shù)膱D在重畫一下。
如果相位裕量不夠時(shí),可適當(dāng)把兩個(gè)零點(diǎn)位置提前,也可把第一可極點(diǎn)位置放后一點(diǎn)。
同樣假設(shè)光耦CTR=1,如果用CTR大的光耦,或加有其他放大時(shí),如同時(shí)用IC的內(nèi)部運(yùn)放,只需要在波得圖上加一個(gè)直流增益后,再設(shè)計(jì)補(bǔ)償部分即可.這時(shí)要求把IC內(nèi)部運(yùn)放配置為比例放大器,如果再在內(nèi)部運(yùn)放加補(bǔ)償,就稍微麻煩一點(diǎn),在圖上再加一條補(bǔ)償線結(jié)束。
小小的結(jié)論：
低頻增益要大，中頻要以-20dB穿越，高頻增益要快速衰減。
穿越頻率大對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。
相位余量太小，輸出容易震蕩
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論