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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）
4 _: d7 a1 x$ Y- ?. [' m3 o# m9 Y4 d: o \; _
04! ~( W5 L8 X0 b' ?( c+ i
如何设计控制环路？6 ~7 m' r- q" X7 B4 l
: T/ [; y! l0 o1 H4 f* H8 ?1 E. w+ E* L3 S! W) v' s
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:
4 K& `$ o& I4 ~; X
4 B1 r' W5 e" F0 B' _% i V6 p1)画出已知部分的频响曲线.- S+ P$ p. w7 Z l
8 H0 U4 f. m8 Q8 l9 E5 K: V ~+ K) J
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.
; ^" R$ M: b; y! M$ q5 q3 E. s( ?' Q/ Y& x9 M, g/ d* F. }
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.' j) ]7 {- D8 ~' _0 k: ?, J
) ]+ O% s% H- y5 s2 v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:/ e% _5 y" G/ H) r; s
* ?2 `2 J* Z1 n& b6 @
2 D3 j0 T7 s* b( p5 W4 k: y8 Z
) I! k1 p* n7 |( K/ \% S/ P8 ^3 I d5 Q8 k" C( A
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.
) @ n- s7 [' K' h. q; O
; q. }" u8 t; h! C! g& \+ Z) m4 O( Q+ P2 q" _' ^
( v Z# h2 r* w7 ^1 k( e/ ?, 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。1 B; X1 y' i" u$ C
" y8 A4 U, ?: y3 H2 l! y" _
/ G$ W, A1 q0 c! x055 m |% ~+ F* S+ j
反激设计实例( y( D3 [6 C) C5 d- {
2 S9 ~! |/ r# }6 Z) Q/ z条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A3 s; h9 v- t }" p. c
; E7 A! n7 j0 n) ~/ }/ I初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T9 D( c/ o* L1 y3 b. ?* B0 x- V* [
$ z% F2 t+ y6 M
次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K. V; ~* a5 o7 v" R" K
; @: P" H8 b: X- t
电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆
( V. R& A$ v, P/ D. e! P* B2 M7 n9 t4 E& F
$ X6 d) [, C6 [8 F( _& p8 S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
, U0 n$ Q, Z" B( W* u& z
: K1 S! {* t- H6 G假设用3842,传递函数如下
9 G8 @) B) M0 Y' U7 |* [6 T& B$ M" U: H! v+ M
$ w' C0 M! X4 Q, B, E, \) H" S( ~( W6 `! p8 [! w
, s% K2 S5 t' O. @' E0 [ x
- F# c# K. {+ |; M
5 G |( K' A; l) }1 W' w! t( ^* d
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.
# Z7 P T" y2 f6 J) C- {! {) ]
/ w7 O! n7 P, L- X( k分两种情况: n$ A* d! F. S- R/ o2 [) \
" l; [3 g: p6 t E a$ @A)输出电容ESR较大7 Z+ B( }0 U2 C3 L
& h7 v2 C4 \$ \9 y3 j! |
4 \# [! ^- h: s4 W$ |" O/ F
% J; C& Q5 E/ [ N8 N$ n$ e, A) P
9 W7 \) J/ E( j% U/ u- F9 L6 o4 D! k- l9 [; V* f" y) g* Z7 W
3 d( X6 g b+ y3 g7 r
" G) A# h! n, ~" Y8 H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.
# ?- D% ?. P( V- W: F, g) N& m8 Z7 L) ~
% r+ i' `1 H ~6 M4 B
U4 O: _ {; ^* e- 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.
" ^1 Z( y5 ?4 M) T0 u" t4 W- p$ T; L- T: H/ `: @
设Rb为5.1K,则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.
8 `) O( I1 K* Y. L( y* f. [9 Q" K; O8 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0dB
$ l0 _" }+ S1 e/ i5 b$ I8 I3 J9 d4 H3 ?" ?
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
4 E6 P' J0 i- e& p8 U; {, h6 {6 Q, f6 z& i% p v. j" d9 @
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
" {- w7 y' U' @; E/ j% L' S- h5 A( k1 ]' p. t$ e- F; Y
" h Y C: v$ e3 \
1 O9 T T) [1 i; Q6 }, m
6 `* y9 G6 E B- k/ I
0 y+ b ?" N) ?8 b2 m
, y8 x- W; ~8 c
. G; h# S, w+ s, J8 k
7 d6 }$ U: X' d$ L$ w8 U9 N4 h/ B* F+ J0 A3 M% N0 a0 @- N
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., r6 K# ?2 n* g5 t( D
- L( `6 d/ F; X
Phanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度." i `, D2 ]+ p+ O) u5 b
( e0 [2 H# A, |1 u0 C/ o8 t, Q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.
1 T7 N# ?$ _" ?; f9 o$ ~" O
* M% ?$ D" I7 x9 j3 L& n; n" X1 ^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
, }8 s1 i e. ~- S) M
4 {# E) y1 M9 O: D% G+ R
% b- L) y& i; U' l1 j8 u1 Z6 `
2 z( A" w9 f+ O' o数值计算:
2 d3 t9 {* o+ g0 N; x6 d8 r
; P9 t( r* P, Y; R6 z8 U1 g: ` j8K处功率部分的增益为-20*log(5300/33) 20*log19.4=-18dB% G/ l2 c# g# {+ k) W+ s
1 u; F" x( d7 \3 Z% W" Q. j* ]因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB
/ w7 u g- p* u# i( E8 F
# g2 b* h9 {6 i& _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
4 a9 h& F9 D% u: {
1 ]( b" @, i+ O Z! w, R推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2. b; a4 {) M3 V/ Q0 I* `
: P5 {+ y, J* m# X
推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1
1 H/ v7 X, p( E& @* k6 g- y6 q7 z# ~
推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.- x" k' t2 D' L9 Z
6 @) e& }. V1 Z2 g' B( ?! ]" e
$ @4 z0 Y. ^' b9 s/ i; \, O) V
7 Z5 e' t! ]& r/ c6 v+ A) d( t- \相位; ?* w* P; L, Q
( H- C( W' b, S$ \0 {/ d
- z3 L+ {5 _. a/ \9 b6 l" i4 p+ t0 W& Y. E8 C/ e" K
2 P, s/ c. N2 N6 e- w
# M7 W% J4 K$ u$ N4 V" P3 f
" U$ Q% y' ?) m Z9 T# f( X, Pfo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.
- {! K; v8 I# @" p1 U( }: N' _ D& l9 D, I' ?% D# s/ V
+ Q" r/ a- w6 s1 P
" u1 v! c+ {) l! y/ L, \& w1 E k) p, g/ g1 m7 Y6 g
6 o9 q2 ^& i7 o
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.
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* ?9 P4 h: z: Y7 W7 b+ _3 Z/ R/ O% ?% c* J @& H
7 W/ E/ ~% ]$ F# b0 D! C* z+ i5 f' o元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.
0 {' s' z# v) [9 Q) k2 H) U& f; B( A% u- [- J8 k; q6 {" E
" z0 y. V# G- a- @% R6 r) I
" b; }! u. X5 r) I% c# p
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! D+ N( F, G' P/ |/ P9 Z
* S0 {4 u- F8 o& X# v
* s) O) {7 k0 y; ]蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.
: D* c9 ]- v: i; c" r: }
' j6 V6 N. J2 H1 G% r$ x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.# ~% B& [6 j0 s$ B7 m! S% W
}# r9 A! B8 f) 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.2 |1 ?: S5 d& V, c+ Z
# C% M5 G3 D! I& C; y+ l: [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.
$ o4 j7 d3 X( U' d
. {$ G6 k* Z$ C2 u, D9 k |
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发表于 2021-5-11 10:06
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