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续：控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（前三个步骤）, D2 A" r' }* F* L2 y& G2 K0 N
. I, k# R! f8 m7 |6 p' D$ I04! c) }! d" e% c# ]- M9 g* \
如何设计控制环路？
( A3 r: F; F) Z) T+ l7 G. Z1 C) ^$ ?) F" G, M8 c: m
1 v d& v z: ]. a. l
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:
T& S% J* P8 X0 q
& \& Z2 Y, f ^6 s V1)画出已知部分的频响曲线.
2 ~$ p9 q% k, y0 H) C1 u+ { @8 u! O5 A" j. I+ h+ N) L& u
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.1 p; V! N; P8 y2 E& j" u2 y5 O
2 @1 w1 ]$ B. }+ X" b4 b/ y
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.! I: J& O# b% `1 [% E+ a0 g
7 B0 P" m9 |* ~* s# T5 |& Z# C
上述过程也可利用相关软件来设计:如Pspice,POWER-4-5-6.一些解释:
3 K/ Q6 A) y2 [' h2 O( G8 Q2 b% R' N! t7 B& C/ S* a. Y1 H
# c- z8 ]4 v5 C# W0 H4 I
5 g" |! Y7 x# p, F1 l" w7 B" j& k4 T+ `! j+ w: k& i% E
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.+ A) N: R' O$ U# {0 G; R# L# w
7 `, J" w0 b8 H9 u6 d* p/ E
8 F6 Y: K" n8 k# v+ }! U4 d R( l; p2 x" }3 Z4 E; ~6 K5 b
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。$ I- y! D! l! M C) ~
6 W* s( f% i- K; C9 a6 ]! D
) e& q0 ^2 C& w05* }4 ?+ O, a# [; E' t2 L
反激设计实例8 r; c9 Z# C2 d/ i* }: `
: x: W' y' J: H5 Q8 k
条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A
3 h4 T7 g5 b, Q: H$ ~: k" B9 {; F/ S- c. \
初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T. \- Y7 d) `3 r
" L9 P# Q1 p5 Y6 q5 N
次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K0 q1 L0 J7 Z8 ?/ s* g6 Q' K0 ~% V a) ?
# b' j" l. a8 }; K
电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆
2 F- u# D' g; `. F- Y* `$ A& C$ I' G. I+ f" Q( I m; p- |
% a- L# E* \) {/ V; A: f下面分电压型和峰值电流型控制来设计此电源环路.所有设计取样点在输出小LC前面.如果取样点在小LC后面,由于受LC谐振频率限制,带宽不能很高.1)电流型控制
# B2 g" g$ {! R3 p/ j9 ?* Z8 ~6 ^8 }" m3 }% o3 ]
假设用3842,传递函数如下( A$ l6 _, ]2 t# p5 J7 H: S
5 u6 } i* ^3 x: I5 F+ ]; U
f8 I. W% b, I5 k6 {! _
6 I% s9 M5 }8 p, Q4 }* v; k8 u' K1 i
" p( X+ l, C9 |8 ?# V/ ]" d' z2 B) G8 G& y! r' C
, f6 ]. f! W0 |; d9 _# }
: }/ N$ i1 f% V. X5 c) U5 b& q此图为补偿放大部分原理图.RHZ的频率为33K,为了避免其引起过多的相移,一般取带宽为其频率的1/4-1/5,我们取1/4为8K.
0 ]& f# `& ^' W
! ~4 w6 S. l" @分两种情况:
% x, l. n4 n2 U2 S: C
. G, j% L: v w2 B& j* P) G: X: tA)输出电容ESR较大
8 t+ W; X. b* ^0 Z
- y4 I" m. h, H; v$ m8 W$ U
4 W1 |3 X( }) _9 _
6 W' l+ q M/ {2 U9 x. i
2 D" ? R( W! X3 l0 u Q2 t# h7 d
3 B( T( ?* Q5 v% o
, m, d' p8 \# ]- ?' O
3 h+ ~0 Z% `$ p( c输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较低,这样在8K处的相位滞后比较小.Phanseangle=arctan(8/1.225)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=--22度.
1 K4 n! E1 Q# [% p# S8 u }8 o* Y' c1 K. r9 }: O- c
3 a* U& ]0 ]! r8 s; H: p
2 L+ w7 {8 }5 M k" u0 _% @+ Z另外可看到在8K处增益曲线为水平,所以可以直接用单极点补偿,这样可满足-20dB/decade的曲线形状.省掉补偿部分的R2,C1.2 n% k) |5 e* U/ _& @
2 c/ T s1 [* M, t2 O) `设Rb为5.1K,则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.
* D: m2 b( G- ^ t" s0 V
( F' J/ u4 [0 V3 p! X* X. m8K处功率部分的增益为-20*log(1225/33) 20*log19.4=-5.7dB因为带宽8K,即8K处0dB. O! j L; s( O x, D# H. _
- Y. M! Z3 x! z8 {3 x9 s7 ^
所以8K处补偿放大器增益应为5.7dB,5.7-20*log(Fo/8)=0Fo为补偿放大器0dB增益频率Fo=1/(2*pi*R1C2)=15.42
3 p& m+ n6 v0 X
; ?1 T7 \0 ^( U( O+ X7 j' h$ MC2=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4 }! M0 O [6 w( }( K7 r' x* L
6 u6 [( a8 [6 I. W2 i9 j
( d2 j; u; R0 g5 o1 O: h6 `
5 Z. u7 { f8 o5 t9 Z f. u1 m
3 j4 O1 P! C7 a6 p! z3 i( M* A2 }4 y& f7 Y" X6 E9 K
( P/ S0 u) a8 p9 n1 V( J T6 }: J: `
8 P6 [3 g( k/ \8 D+ p5 W0 w4 t% R# o& T _' d3 L
输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较高,这样在8K处的相位滞后比较大.
+ i" k! f2 F j. W5 b" ~
( I# S5 r: ?" q# ]; q. }/ u$ p( O! DPhanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度.
8 Y7 I' I: a& I
$ S$ O F5 z u. E: Q7 p0 }如果还用单极点补偿,则带宽处相位裕量为180-90-47=43度.偏小.用2型补偿来提升.' f5 B- \4 Y+ `9 D
9 F3 I5 I! A/ J B; z& V1 Z
三个点的选取,第一个极点在原点,第一的零点一般取在带宽的1/5左右,这样在带宽处提升相位78度左右,此零点越低,相位提升越明显,但太低了就降低了低频增益,使输出调整率降低,此处我们取1.6K.第二个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.我们用它来抵消ESR零点,使带宽处保持-20db/10decade的形状,我们取ESR零点频率5.3K( G& X" I# w- G* w+ i
& O# s# L& c8 n0 ]5 i/ E' Y0 K5 S& M& m6 M) a1 u. ?
8 t$ q1 A" J* M% p6 g: n
数值计算:: d5 x& g9 v( O" e) F
: C; S8 [* t# h& H5 p4 n8K处功率部分的增益为-20*log(5300/33) 20*log19.4=-18dB
# Q8 y5 g! v8 s8 p
# I7 \# ^/ Q: ~+ G因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB
* r( ^6 f% s) r/ u" W6 }/ {& j' ~4 ~ ]8 b, C% S8 o5 R
所以8K处补偿放大器增益应为18dB,5.3K处增益=18 20log(8/5.3)=21.6dB水平部分增益=20logR2/R1=21.6
# o9 r; I' K# C7 T2 X6 {' O
" S8 d2 P, o3 x! J' [推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2# A Y: I+ k+ R# o& j" F
$ k( V! D4 t s: P) o8 ]
推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C11 J6 S( d+ j4 A/ B5 q
9 d" g. t# C3 z- x
推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.
: p2 r6 \- D4 K* c% D+ ]0 f8 b9 `5 ~7 l0 ]+ N
$ t, G7 B4 ], W) M4 h- r
7 B3 _8 V' B' j% s# _$ X0 G
相位
7 L" n, [ N; R- u+ b$ ?7 c/ p
& n3 K0 C( a% x6 w/ R
5 g: X3 S. ~1 {& \0 i( p# v* c5 g: a
+ i2 z$ r6 ]/ z- Q5 J. L* j* z
/ o' u9 E) @ M1 n" h( g5 G0 ?
9 h3 ^# g v9 i
* q: u% P0 i9 i' P2 C' ^fo为LC谐振频率,注意Q值并不是用的计算值,而是经验值,因为计算的Q无法考虑LC串联回路的损耗(相当于电阻),包括电容ESR,二极管等效内阻,漏感和绕组电阻及趋附效应等.在实际电路中Q值几乎不可能大于4—5.
4 Y/ F; t& h" C6 G S- \& z, |2 p6 V3 ]6 N. G2 t$ J3 `
# b! `6 F$ x! u6 ?' F8 ?/ y- ]
! c7 z! L' U" ^! \
! Q( @& K1 s0 ?" ~- l+ A, I1 Z
) ~4 P y O% e' ?6 z& e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.其零,极点放置原则是这样的,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.0 v5 b' U* Y" S \
8 @8 i" ~+ ~$ [ q; A3 a( @
3 b8 B8 X$ G J2 Z
( B) F$ y/ ?: O# R6 ]! T元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.
0 n# e: t! I2 R; @ ^
' Q) |. A1 g4 s# D" G5 I; K
' ~0 y- S" }5 [7 B
: D$ d' G7 s! G+ a) h& n. H1 I" c0 ~
# k/ C+ T3 X9 Q! \7 B
9 I9 E4 r& |9 E/ e2 k: ^3 H' x" c" |5 u8 J, Y( d, y) t
/ B" B( I8 M+ d( v( M7 B
蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.
; v% o# Q( @2 x Y P- J& ~- ]2 r$ n# D2 N4 Y& g7 ^3 }) U
如果相位裕量不够时,可适当把两个零点位置提前,也可把第一可极点位置放后一点.5 c1 c7 ?: P1 J, U1 g$ ]+ j
' b- y4 c5 t. T7 p% e同样假设光耦CTR=1,如果用CTR大的光耦,或加有其他放大时,如同时用IC的内部运放,只需要在波得图上加一个直流增益后,再设计补偿部分即可.这时要求把IC内部运放配置为比例放大器,如果再在内部运放加补偿,就稍微麻烦一点,在图上再加一条补偿线结束., G9 u6 Y+ ~$ a* X: a5 C
" k9 {- k. O7 m. w我想大家看完后即使不会计算,出问题时也应该知道改哪里. - i6 {1 \3 l; Q z
0 n( g; p3 C z0 X; G, p2 x
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发表于 2021-5-11 10:06
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