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标题: 控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（后两个步骤） [打印本页]
作者: piday123    时间: 2021-5-11 10:06
标题: 控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（后两个步骤）
续：控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（前三个步骤）
4 x' z/ H1 ?' V4 }) o; A: d6 K8 F/ [2 @
04
9 ~% h6 v: ^- r  a& ]7 X/ G5 E如何设计控制环路？
, K" x$ B1 _& s4 P8 u3 B
* Q! N$ l$ [; o- o9 ^! a
0 C$ c" M) R6 s2 _5 a! a) Z: p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:
+ w8 x, \$ b4 _6 g6 L1 i0 W
% V& D6 }4 t6 R. v1)画出已知部分的频响曲线.
# L# h7 n6 i- }1 d( E7 w' e3 q0 e) K; ]+ ?& S
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.& ~" P: {+ T4 V/ H" \; e% i  t2 j

( p" G+ E* D- ^: @2 Q3)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.
3 @4 b% d1 `) m0 L- S, z5 D5 p, m& x6 n1 L+ i
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:' \* M% v6 [& e/ Q- C# X0 R
; {3 R; D' _, M2 Y1 o
9 T7 a" n& @0 g1 W  c4 ]+ H& G

/ l$ K" k5 e6 y( {8 O# k0 }- v0 N' R2 O/ r1 V3 \- a- B
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.9 g" s9 V" l) o8 d. B6 Q! D" r
( ]* Q7 A- J. l, L$ ?6 \9 C
. x) c' r+ }4 U; j. z

2 ]( Y+ @, [; X- ~5 @$ `% K& d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。
/ `8 D- A7 T; m2 V" X# O- `( o7 P8 ~: G" I* n0 K1 C

! ^5 A, c% h/ e! @05: g' r# d3 F6 Z* V% K( g: _7 @
反激设计实例% i& j+ J7 ~+ w2 U% a9 L. l7 L7 T
5 |0 \9 C4 L& u5 ~+ F
条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A
7 q2 k' C1 V! g! Q5 |7 A
  _  @! B- b7 a9 @初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T3 @9 ^% p1 ^4 f6 B) ~3 i* E
$ d. k* w  Y$ }  l: H
次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K
& o4 Z6 W9 p% a  W
0 Q% x4 c1 [+ B电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆" W5 Q9 Q! k7 }: b4 h/ u  t' M
! I2 \: H- {) l, z5 t

/ D' q1 L1 a6 N4 ^' w9 C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6 Z# V- u% A7 a9 n& E# h  w( ]
) t+ g' ^/ O4 G
假设用3842,传递函数如下
- c: z0 T% g# O. r5 t/ A, R. }( c: d% Q+ q$ q' J
7 Y7 F" m7 P! p/ D* {$ y
1 C8 `' q( l" ]* ^! ~1 h
  B7 X" ?6 a, y/ v4 u3 d$ {

' w, s6 b! ?9 t) T3 @% w. x) f6 D+ V9 ?- H3 G+ V
+ n7 |% K4 z) T9 b* r" F; _4 E
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.
: H, M& h1 h( r% U. F6 n
  R4 j- A% `5 Q/ Z$ Y% T分两种情况:% p+ l3 ~8 j( q0 k. ^
7 z. E8 X2 C( }% `# @- z
A)输出电容ESR较大0 P6 o( E2 ?; k* h% D; J
4 E% h; k) [; V# v2 A% c$ K
6 v+ B$ d/ I. b5 R4 b& V4 Z0 m
/ G9 w8 D- W5 w) ?3 W
3 N& L5 ^; u/ @
4 \) o& k/ w  U; s" i
, o8 Y" T) s. r+ b( o/ `9 z

: [& `- L% j1 [2 Z# }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.2 u( ?: t% t' k- K5 B
# y3 ?/ Y+ k* u! F" t4 G
  e( v5 s- o' u) ]5 b

1 |" j; u2 s' T: ^7 n0 |7 l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.: j9 c, G! }" k' {4 O
+ S+ f! a1 j( K' l/ k5 E
设Rb为5.1K,则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.. b# U$ c; b0 k6 q* ^

: I; c! N! T: @8K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0dB4 m9 F& V* {- V

- v6 {9 a, ^* D$ |8 Q; @* s; I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
' z6 {# u" E+ |9 v% Y! i3 _0 p) }. ~: h! w# w9 E1 g' a
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
! j7 `" F  e" L, M* [, x5 `+ C9 _/ L9 w' d

7 x3 \$ ?& [& _$ R+ R* o
! c0 ]. Y7 E1 S + {3 l: U, d8 t
7 X8 ]8 ~& a3 T- c/ ]1 o: E
/ ]; W9 B/ a7 a

6 ^2 F" s1 h7 o; ~$ E. H
8 h* y6 s2 T5 V. A8 v9 B4 Z
7 v' I9 A4 F# O5 j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.
# I7 U/ F. o% d! A- M' `
* |. f6 ]! n& \6 HPhanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度.( D. X1 B7 k8 P4 R
: M8 _& N* \: t7 I
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.
0 {& p/ |2 K) E, u1 v# ]) N1 ?; m: |- Q* i. d" k' M4 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5.3K7 b1 A# \8 E% P4 c
9 @$ G3 h9 F. J# z

! ]# y  ?" }1 P0 x9 v
# D/ i" `  H! ]' m* n( P* H3 u数值计算:2 L$ u/ Q; R& \% u

! a: [# \. p) q$ A. R8K处功率部分的增益为-20*log(5300/33) 20*log19.4=-18dB' i3 l. n# f. O7 t) w6 `$ ~

# D& u/ I* C- ^2 ]因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB
) ~; f" P7 e0 `/ _0 H6 j* P! J$ w# \( p0 Q/ v
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
) Q  s* X& r$ }: k  r9 E: S
) \! `, P3 h" H4 x推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2
) ^- b7 ]. S* ?' F' h( f
( b" Q) T8 r- t0 Y3 B推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1" a4 m% c! e0 @0 {  |/ r# i9 \4 W
3 J  W& _( Q; s1 A6 h! ^( U0 Z
推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.
, \- ]7 V/ L  g- I7 v7 u% d- L
" L! J: _: h: P) }8 N+ f5 D5 l& N0 \4 k/ [+ N/ t
" Y& Z* O4 ~4 W% D8 {+ M
相位
1 V5 u7 J; K; O7 ^0 T5 a6 D
) [0 Q% [1 ~; T7 O5 L) `
- M# C% x( ?* k5 O% s0 `" m3 N
& a8 O7 S* _2 L  Q3 p; W* m  g- [ ( K% p5 t4 {2 d7 I8 b0 C! e) T

0 p: e9 P' O3 R' s" z0 P( |# q. g/ }$ ~5 i5 \5 }* N
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.
. a# c( K+ U: q$ `. y
4 i! @# y7 s* m5 q( u$ v+ T
. U6 P+ k1 P: R' ~% m# L3 _1 b: E2 C/ X, Z' O) v4 G1 H1 C
4 k' g! ]# B6 w# @0 D  h

1 b) y) D) ?' h0 x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.
& Y7 J  S& Q( n5 M' u- `$ f* ?/ Q
: Z1 M1 b' D: O% V
9 H+ H0 Q4 [% X3 l4 h
元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.
1 o" ^0 l# I+ [9 a& J3 U- {7 |6 {" s' }/ X& {

* |! |2 Y  G6 Q  j) I% P. O
" W& ~! w" P/ \ % Q# C0 Q# ~) H$ _& ~9 N$ m$ R

1 R4 G+ [( w' G$ i/ q
4 h# |: k+ o! |* z
( ?  _5 d& P# V蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.  B1 `8 i6 ?( ]1 c% K& e# u
7 \. y; \; W/ B" ^  W. h+ ?) A6 y
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.
0 {6 N  e; R% y
- W% Q* g1 T9 E4 p* b( x) [# P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.
- X/ j- n+ g# K, x" ~
+ E  L  U5 u9 ?+ `3 @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. ( n' I) X7 o1 _0 p, e1 _) r2 ]
) P+ V$ Q- c$ |& u/ a
作者: NNNei256    时间: 2021-5-11 11:14
控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！



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