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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）
g0 ^: I K& }# j7 r
$ F1 \: _$ m; l! Y/ J, i04
; L8 u6 Z! S9 o6 K如何设计控制环路？1 Q+ x; l9 f6 w a$ I" m) E5 I
$ M% ?8 {# J% ]* r
2 J% {7 u5 r2 B7 z
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:" G5 ~- l8 u* E* Z, ]
' K0 l7 {2 H' ]' U) V b1)画出已知部分的频响曲线. S) `" m. A+ o
o0 N/ Y( @ ` I2)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.( m( w! `2 ]& |$ S
8 a1 T' k9 c( U' l3)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.
6 J) D6 j$ u' ~% x% A! P
' {1 Y2 R- T4 u/ |8 Y6 l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:9 m T7 F! B9 T J+ X& P
$ Y+ e$ s8 h( X9 N$ t+ b
, S7 _8 @3 }, f+ c- Q3 K1 }6 y. T$ I1 b2 \! l. i M) c: g1 z" o
1 a2 R0 a- I5 i% u* c, m
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.
/ E% ?/ _' o' [" ~/ E" K! {. [
- l+ U3 `0 b I7 A& G" U' U
* p9 T& R* S/ {2 V/ d0 J* y6 |5 ]* ~, i
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。
# y5 ]1 z0 M% l3 d( q2 v8 ]( p6 a/ B3 S: U6 h5 j4 F0 ?2 I
+ g( P; V4 [' }& g2 L! X5 m05: v- b$ Q( K8 }/ \
反激设计实例" r; y$ ?& s/ @2 c
n3 X" T9 R9 S& {0 G* e* _& g5 w8 A
条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A
; @) e- Y7 l) Z# C& e/ L" K' X. O8 J. ~+ n
初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T
# L3 c: G' n& ?0 Q% W2 a
' i b1 ?( p$ c2 S; [4 h9 C& l% {次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K$ x. Z/ R/ K+ y3 c4 d
6 o- `9 U8 V N% z) h: N电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆
4 a H. E2 t0 O
6 X& x4 W& s; K& j: T2 H7 H8 N* b# C1 c* {: N4 @% D. d
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
V4 R5 y0 w8 Z; m! w) }. q" Y
( U+ E2 j- E1 i! r% U/ i假设用3842,传递函数如下( s1 P8 a! x9 u& A
o7 y( n% W0 L$ W" \4 P
/ {5 g. `1 g0 z G2 H+ b2 g: U
9 X) P( X/ [( y: V8 t2 |, C" P
" \2 Z* _" T: M* h
/ W' d+ l6 V8 @7 H+ k( J; _; Y, U% L# L+ R2 `& [4 e# Y
! J- J; {$ J! R9 B$ B
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.6 y4 ^4 O) [0 d5 W2 {) _% d
$ y+ R7 V) [) E, F
分两种情况:
9 M( ]! \) n) `& Z9 [6 ?
V& e! y& o9 y- @A)输出电容ESR较大/ u' N% N+ C/ ?# z- ]0 B
1 q* W E) `1 `1 q* e0 [' {
0 {/ }- \! c: v+ h2 `! K" i; ~
7 B8 }% m* t+ e/ ]5 O
$ N4 U3 S( ~4 o9 `* a/ d1 T
) U2 L& n/ s9 I& D) z
( C6 F/ f$ F- S4 l1 L1 s
' a$ z; O) E, k0 |6 v7 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.+ J6 X4 R$ C* P
1 N! {( ~3 |* e5 K$ U' q' o
8 Y+ q; |( R6 ~/ n8 L6 e9 ^
+ m" T5 q; O5 F1 m% Y+ J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.
- Z$ Y: ~9 x' S7 `8 e; R/ b
* e: _ w1 c: G# h设Rb为5.1K,则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.9 x! m4 V; |* E6 _5 q9 C
1 r0 y: b0 \5 @, H; `- L$ j
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0dB6 g2 b0 |4 H' S! ], F4 R& r
7 m. y8 K- l% p9 I8 c4 ~/ [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( O' t2 n' t" Y& p" t# R& h. {' R
% |/ i& @. }5 z$ [/ L4 rC2=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6 B" r1 x3 \5 Q* I( R5 d
+ C {5 @9 @7 m7 k- ^
% V" ~! G- \. v5 N9 b
" D& C) l) J3 R" X
, M+ {% |$ S j; _1 g( B" G# U6 l# ~+ y
5 ~: p! m O. d$ U* g u6 f0 E3 e# S4 X2 H( t
% Q! {) P0 J+ u( |; A$ a7 \$ q2 }1 v3 a* N; B
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.. y9 j5 ~* @4 d9 K6 U
0 @% |1 _0 v9 R* K& r# P$ ?8 rPhanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度.
o7 {3 c9 d7 J4 f! {6 S( |6 O8 @8 w7 |* x: V: V: K: o% g
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.2 U+ n; E9 d) h/ b$ I
0 J& A4 J4 i4 Y! |
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. n0 V' I) A' F- R4 x* _) v/ x
0 w7 i$ H/ j' F; q/ l3 z( V. S1 J9 X4 P+ ~$ \4 _: |, \1 ], t7 n
# e9 y0 e0 M. x$ t数值计算:/ C, `& i: n- n* E: a6 `- Y: G1 p: U
! e. E' u% S" a; ]' I0 W8K处功率部分的增益为-20*log(5300/33) 20*log19.4=-18dB+ R1 ?$ I- p; C1 f9 s* ^
/ I) [! T6 g6 B' n' u因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB
2 i( }: B7 _0 U4 j1 d; e7 e" }9 Y: z! Y0 Y
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
" j+ V/ D0 W' q% b9 ]9 k5 E0 q' D7 V/ r/ O/ e1 ^
推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2/ B+ l9 @2 u, B# {. A' M
Z2 J1 Q1 c" _, [4 Q
推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1, u+ z% i$ s9 D$ G" i7 `
* h6 y: [, k& G( n
推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.+ W4 O( s9 @4 f& e- C) Y& {8 H( G
* o( K/ r1 k! y0 D' \
' P1 Y& J% ^0 H$ X9 r
9 `+ I6 f2 z0 t' x9 B$ f
相位9 N+ D. B1 A1 f) b/ ]" F6 T
$ D `5 Z, q, x9 f' r5 h
/ d1 j* ~$ x' F' M" M- U, q, u. V( d- M4 Q S( d
7 m1 w+ V9 C! V! j q6 V, e8 t2 U( G6 I
3 r8 z& A* N7 z0 O
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.# Y( t/ F7 U) \ t/ \5 k0 q) K7 P
2 ^* h" \# ~/ h
" A/ b/ l8 p i1 C: r+ {" V$ A. _6 V& f4 n3 w+ r
/ P* \: {0 P- q9 I, p4 P1 {* p* T/ c7 X E3 P# w& v8 @: n5 z3 w9 U, }
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.. g( y+ p! C( q1 N \2 u
& ?, t7 j5 |; x" u" B8 R' V, o6 m. F( D6 r+ w- u
# O, G3 ~9 d2 Q# {元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.
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. I. ^& X# Q4 d+ ?8 D
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蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.: ?: [) d/ l, |* b9 Z0 B Q
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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.* b6 ?& _$ w7 H6 L A- O1 L
- s) a% G6 p1 t* U0 |8 d: t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.
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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. 1 I/ I/ H2 p) B, g
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发表于 2021-5-11 10:06
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