控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（后两个步骤）

piday123

续：控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！（前三个步骤）

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如何设计控制环路？
% z7 c3 J6 R  h. ~6 _7 r
6 L% [2 ]) @* A' H" y% ~9 n/ s: e$ T
: \( q( c0 Y+ ?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:

5 Y, A7 @, C, f, E9 ~1)画出已知部分的频响曲线.
# E2 D$ W& ?2 W/ `4 {$ f, G
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.
7 a! P7 j4 h& D9 H
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.

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:




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.


6 P4 M  G; r) \4 L2 A0 c
/ ^) a. A- a+ \, w* J; f' l+ e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。


  P, R4 m: m9 d: E05
反激设计实例
# \6 j! f" {9 ^8 O! G% }
条件:输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A
& o  t- M; V( O3 q3 k
初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T
/ g  ?3 M; Y; J3 `
次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K

电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆
! t% \. N0 K# g/ h, e9 _
& [4 `+ G& @' m
4 `9 _/ i/ N4 Z: ?2 p6 p  o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
# ?  O$ V# h5 ~! b$ `- R- H
$ l  Q- k& j, Q- D# D8 Q假设用3842,传递函数如下
  r$ }; R4 E! ?* [, @2 t3 M0 \
" d8 _# }- `  K7 h9 [

  t3 M2 r3 V2 a/ e8 y3 {


5 @0 q7 X" l; x+ T% 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.

分两种情况:
$ d! k+ f: g# v. {3 x
A)输出电容ESR较大
$ G" @. Y2 W) m& e. L* m; p


) H: y/ V3 W/ C
/ A5 e1 J% T! G( Y
- I+ u( Q) d" _3 _. k: Q
4 H! Q2 k. b9 {7 N1 L4 f
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.
# a9 P, Z/ R' V
$ d/ n5 U( L0 y  z1 g
6 F. p9 d8 R; B
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.
$ l  e' _/ n2 Z
: E. V; E7 k- h0 D1 J设Rb为5.1K,则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.
" }5 R( S3 R# T6 h3 u
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
& P* G( O9 g+ s' I' I: J' t
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
& t# x- w, j6 M4 T. Q6 q& M
9 ^# N. o, L8 y) t( r& PC2=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


. D) N- ~, I4 y1 L7 F! g3 ~& M; U" K

: U* y2 M9 g- e& H" j
$ D/ L/ o1 Y" N8 t8 J/ Y
9 ]1 O) q& @: ?* W


: a+ A* w4 F4 G, 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.

Phanseangle=arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)=-47度.
7 |  I7 g8 \- g: t) M% o3 Z5 e
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.
3 E; @$ o+ y. E
( j( N' |: `; d7 N6 S0 P, G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
5 Y* n3 q2 Q' m- Y7 o3 c3 y9 {

# X) m0 f; H2 m% u4 i
数值计算:
* g4 C- K1 L- c5 T$ X
# A8 M+ M% x8 k8K处功率部分的增益为-20*log(5300/33) 20*log19.4=-18dB

因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB

4 T( _* B/ V  O' I3 W0 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
" N) o0 w# w0 N* _; ]
推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2
1 s0 j2 f4 P% ?* s; f0 g
9 W# L& Z/ X% ~5 b3 W推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1
2 |% I  z; \* z+ p! P8 t
& \. g# s3 v& n: m6 _8 P推出C1=1/(2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.



相位
: P" g6 x( p* `; h/ O$ u: p. N3 w

0 m& ~$ Z; i6 Z) t! y; R
) H  A' {8 Y. j6 T/ x2 r
: ?1 E, l" B! L" H
2 U: m# B" Y" M: _
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.
% E' g. z7 l% L5 l6 ]7 T

! K  z# D* Z4 M# O+ R1 b
: z# R2 E9 H) c4 v' a

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 K5 u5 A+ D' B元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.

6 _# u! o) ~& W: l$ W* p
3 H. V$ x6 D& g4 [! R0 r0 |% g
, u# D' n$ f$ p5 `7 K3 l

9 |! F' M7 p. |, Z: y4 M6 D8 r& ^

8 F7 d# [- B/ x3 ^8 }: Y. }4 R! ]" q蓝色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.
' ?4 S; f! V- L9 T% q
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.
1 m- w: ~1 V1 G; R7 s
8 \- f! P4 v% B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.

4 I& M( w* `- F( y9 G$ G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.

NNNei256

控制环路设计的解决思路，5个步骤告诉你！