當(dāng)前位置:首頁 > 測試測量 > 測試測量
[導(dǎo)讀]自己著手開關(guān)電源環(huán)路控制的學(xué)習(xí)大半個月了,下面開始寫<單端正激式開關(guān)電源設(shè)計之環(huán)路控制設(shè)計>的文章,希望大家多多支持。

1.開篇

自己著手開關(guān)電源環(huán)路控制的學(xué)習(xí)大半個月了,下面開始寫<單端正激式開關(guān)電源設(shè)計之環(huán)路控制設(shè)計>的文章,希望大家多多支持。

首先講講自己大半個月來學(xué)習(xí)開關(guān)電源環(huán)路控制的歷程。做開關(guān)電源的研發(fā)5年多了,一直專注于實踐,基本沒有怎么鉆研過環(huán)路控制這一塊。

學(xué)習(xí)環(huán)路控制,我首先將<現(xiàn)代控制工程>這本書匆匆翻了三遍,頭腦中大至有了系統(tǒng)控制的思想。書中介紹了各種自動控制的思想以及證明解析過程,由于本人的數(shù)學(xué)底子薄弱,所以對于書中講解的幾種常用的分析方法,比如頻域分析法,時域分析法,根軌跡法,波特圖法的理解都是浮于表面,慚愧。對環(huán)路的學(xué)習(xí)理解還存在諸多的問題,后續(xù)的講解必然有很多的問題,希望大家能及時指正。

接著買了兩本書籍,都是關(guān)于開關(guān)電源環(huán)路分析的書籍。一本是張衛(wèi)平編寫的<開關(guān)變換器的建模與仿真>,另一本是法國電源工程師Basso寫的<開關(guān)電源SPICE仿真與實用設(shè)計>。兩本書中講解的關(guān)于電源環(huán)路控制的知識點個人覺得很不錯,雖然我看的云里霧里的,但是書上講解到的一些我能看懂的部分對我個人對于電源環(huán)路控制的理解幫助很大,對于電源的理解也深入了很多。

2.電源環(huán)路控制的理解

廢話講了這么多,下面先講講我對開關(guān)電源環(huán)路控制的理解吧!

在沒有學(xué)習(xí)環(huán)路控制原理之前,我個人對于開關(guān)電源的理解分析基本是局限于某一部分。當(dāng)提到開關(guān)電源時,只會獨立的想到開關(guān)電源的某一部分,比如說變壓器,電源管理芯片,輸出濾波器,各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。當(dāng)花了很多時間補充學(xué)習(xí)了自動控制原理以及環(huán)路控制原理?,F(xiàn)在腦中分析開關(guān)電源時,會從系統(tǒng)的高度分析問題,會綜合考慮電源穩(wěn)定性的問題等。

在<現(xiàn)代控制工程>一書中,作者關(guān)于開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較說了一句比較有意思的話,使用閉環(huán)控制的系統(tǒng)意味著可以使用相對精度較差的元件來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,而不需要像開環(huán)控制那樣,必須采用比較精準(zhǔn)的器件來控制。這句話應(yīng)用在開關(guān)電源控制中同樣適用,如果電源的環(huán)路控制設(shè)計的比較合理,那么使用誤差相對較大的元件依然可以實現(xiàn)電源的穩(wěn)定工作。

現(xiàn)在回想網(wǎng)上一大師,終于能理解他說的通過電腦可以搞定開關(guān)電源設(shè)計90%的問題這句話的含義了。環(huán)路控制學(xué)好了,設(shè)計開關(guān)電源確實So easy。首先通過仿真軟件將開關(guān)電源仿真出來,計算調(diào)整好環(huán)路參數(shù),剩下的電路板焊接調(diào)試那都是小菜一碟了。

說的通俗點,當(dāng)腦中有了自動控制的思想,你的眼界會高出很多,分析問題會站在系統(tǒng)的高度來考慮。這是我個人關(guān)于開關(guān)電源環(huán)路控制的一點理解。

雖然本人對于環(huán)路控制的理解仍然存在諸多問題,但我仍然想把這篇文章寫下來,并把它寫好。古人有云知恥而后勇,我厚著臉皮寫這篇文章,一是為了學(xué)習(xí)自省,了解自己的不足,提高自己的理論水平,二是希望通過這篇文章能結(jié)交更多的電源高手,三是希望能夠幫助一些對于環(huán)路控制仍然迷茫困頓的同道。

環(huán)路控制的學(xué)習(xí)之路必然是崎嶇艱辛的,同時也是無止境的,究其原因是源于環(huán)路控制理論的博大精深,同時對于數(shù)學(xué)功底的要求相對較高。后面我們正式開始學(xué)習(xí)開關(guān)電源的環(huán)路控制。

環(huán)路控制中用到的參數(shù)概念

3.線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng):何謂線性,提到線性,我們大家直觀地會想到一根直線(或者線段)。這根直線的方向是任意的。如果我們用一條任意方向的直線函數(shù)來描述一個系統(tǒng),我們就把這樣的系統(tǒng)定義為線性系統(tǒng)。在自動控制原理中,線性系統(tǒng)最大的的特點就是它遵循疊加原理。

說的直觀一點,就是當(dāng)一個系統(tǒng)有多個線性函數(shù)作用時,該系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)等于這兩個線性函數(shù)的作用之和。而現(xiàn)實世界中存在的多數(shù)系統(tǒng)均是非線性的。有了這一思想,我們在分析非線性系統(tǒng)時,通過分段處理及疊加原理可以將非線性系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng),這給我們分析處理問題帶來了很大的便利。

4.線性定長系統(tǒng)

線性定長系統(tǒng):現(xiàn)實世界中,我們分析數(shù)據(jù)的變化時,通常會與時間掛鉤。

當(dāng)一個線性系統(tǒng)不隨時間的變化而變化時,我們稱這樣的系統(tǒng)為線性定長系統(tǒng),也稱為線性時不變系統(tǒng)。

對于線性定常系統(tǒng),任意時刻只要輸入的波形是一樣的,則系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形也總是同樣的。線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計均比時變系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)容易得多。

5.線性時變系統(tǒng)

線性時變系統(tǒng):線性系統(tǒng)中一個或多個參數(shù)隨時間的變化而變化,導(dǎo)致系統(tǒng)特性也隨時間而變化,稱為線性時變系統(tǒng)。

線性時變系統(tǒng)的特點是其輸出響應(yīng)的波形不僅同輸入波形有關(guān),而且也同輸入信號加入的時間有關(guān)。該系統(tǒng)一般采用時域法描述。系統(tǒng)的函數(shù)通常由隨時間變化的參數(shù)的微分方程或差分方程描述。時變系統(tǒng)的運動分析比定常系統(tǒng)要復(fù)雜得多。

6.微積分和微分的概念

微積分的概念:在描述線性時變系統(tǒng)時,必不可少的會涉及到微積分方程的求解。

在這里從宏觀上講一講我對微積分的理解。首先大家需要了解的是微積分由牛頓和萊布尼茲共同發(fā)明的。

微積分這一工具出現(xiàn)之前,我們描述某一參數(shù)與時間的關(guān)系時,通常使用的方程只能描述在一時間段內(nèi)參數(shù)的變化趨勢,而如果想描述某一時刻參數(shù)的變化時,通常就束手無策。用數(shù)學(xué)語言的來表述就是當(dāng)時間無限短,如果我想知道這一時刻參數(shù)的變化,該怎么辦呢。巨人牛頓和萊布尼茲創(chuàng)造發(fā)明了微積分這一工具,從此難題得到了圓滿的解決。

那什么是微分呢,我不想用教科書上的概念來講解,我們用說文解字的方法來描述吧。微表示小,短。但是到底多小,多短呢,極小極短,這個概念是否類似與數(shù)學(xué)中極值的思想呢。很顯然,這就是極值的思想。分有分析,分解的意思。

那微和分組合在一起,我們可以理解為微小變化的分析,此即為微分的概念。當(dāng)這個變化與時間掛鉤時,我們就說這是求變量的微小時間變化的函數(shù)。引申一下,當(dāng)一變化量與某參數(shù)掛鉤時,我們就說求該變量隨某一參數(shù)微小變化的函數(shù)。

同樣的道理,積分我們可以理解為累積變化的分析。當(dāng)變化量與時間掛鉤,我們就說這是求該變量隨累積時間變化的函數(shù)。

7.非線性系統(tǒng)

非線性系統(tǒng):區(qū)別于線性系統(tǒng),有了上述線性系統(tǒng)的描述,理解非線性系統(tǒng)簡單很多了。拿什么是非線性系統(tǒng)呢,簡單明了的表述為系統(tǒng)方程為非線性的,即為非線性系統(tǒng)。

8.傳遞函數(shù)與傳輸函數(shù)

傳遞函數(shù):在控制理論中,為描述線性定常系統(tǒng)的輸入與輸出的關(guān)系,我們引入傳遞函數(shù)這一概念。

何謂傳遞函數(shù),線性定常系統(tǒng)中,當(dāng)初始條件為零時,輸出量(響應(yīng)函數(shù))的拉普拉斯變換與輸入量(驅(qū)動函數(shù))的拉普拉斯變換之比即為傳遞函數(shù)。

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與描述其運動規(guī)律的微分方程是對應(yīng)的。可根據(jù)組成系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)和它們之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系導(dǎo)出整體系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并用它分析系統(tǒng)的動態(tài)特性、穩(wěn)定性。

以傳遞函數(shù)為工具分析控制系統(tǒng)的方法稱為頻域法。傳遞函數(shù)中的復(fù)變量s在實部為零、虛部為角頻率時就是頻率響應(yīng)。

傳輸函數(shù):區(qū)別于傳遞函數(shù),定義為輸出函數(shù)除以輸入函數(shù)。

環(huán)路控制各名詞的解釋分析

下面準(zhǔn)備講解極點,零點,反相零點,右半平面零點,共軛復(fù)極點,穿越頻率,環(huán)路增益,相位裕量,瞬態(tài)響應(yīng),電壓環(huán)路控制,電流環(huán)路控制,平均值電流模式控制,峰值電流模式控制,斜率補償,次諧波振蕩等概念。

由于自己從來沒有學(xué)過自動控制這一塊,上述的概念在理解上感覺比較吃力,雖然花了時間惡補,但還是覺得有些吃力,堅持,堅持,再堅持,努力,努力,再努力,相信自己。

9.零點

零點:何謂零點,當(dāng)傳輸函數(shù)的分子為零時,此時的傳輸函數(shù)結(jié)果為零,這時該點就是零點。說的再深入一點,當(dāng)系統(tǒng)輸入幅度不為零且輸入頻率使系統(tǒng)輸出為零時,此輸入頻率值即為零點。

我們可以將開關(guān)電源的環(huán)路控制當(dāng)作一個放大器來理解。通常一個零點的出現(xiàn),會使放大器的增益斜率增加1,也就是增加了放大器所處理的信號的相位和幅值。

通常零點的產(chǎn)生是由于在輸入輸出間存在兩條信號路徑,這兩個信號一個強一些,一個弱一些,二者相互抵消一部分。通常在電路中表現(xiàn)為反饋路徑(前饋路徑)與主信號路徑的疊加(相消),因為兩條環(huán)路的之間存在時間差。當(dāng)疊加時產(chǎn)生左半平面零點有助于穩(wěn)定性,當(dāng)相消時產(chǎn)生右半平面零點,這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性很不利,因此要抵消它。

10.極點

極點:何謂極點,當(dāng)傳輸函數(shù)的分母為零時,此時的傳輸函數(shù)結(jié)果趨向于無窮大,該值就是極點。

我們還是將開關(guān)電源的環(huán)路控制當(dāng)作一個放大器來理解。一個極點的出現(xiàn),會使放大器的增益斜率減小1,也就是降低了放大器所處理的信號的相位和幅值。

說的深入一點,當(dāng)系統(tǒng)輸入幅度不為零且輸入頻率使系統(tǒng)輸出信號為無窮大(系統(tǒng)穩(wěn)定破壞,發(fā)生振蕩)時,此頻率值即為極點。

極點與環(huán)路的控制形式并沒有關(guān)系,它只是會導(dǎo)致系統(tǒng)信號相位滯后。至于極點經(jīng)常和環(huán)路被一起提到,是因為極點對環(huán)路的穩(wěn)定性有決定性的影響。

極點影響的是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)頻率。從波特圖上分析極點,會發(fā)現(xiàn)它有兩個作用,延時和降低增益。極點在環(huán)路控制中的作用就是降低反饋信號的幅度及反饋時間。

上傳一份個人覺得關(guān)于零點極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析比較透徹的資料,希望能幫助大家很好的理解零點極點的概念。

說實話,個人關(guān)于零點極點的理解其實也很膚淺,這幾天一直在四處搜集資料,奈何感覺真正講解的比較直白的資料很少。只好將自己的理解通過直白的語言寫出來,希望能有拋磚引玉的作用。我個人的理解存在很多的問題,希望大家指正。

11.穿越頻率

穿越頻率:用來描述系統(tǒng)頻率特性的參數(shù)指標(biāo),也稱剪切頻率。其定義為幅頻穿越0dB處的頻率。在穿越頻率fp處,幅頻特性增益為0dB。根據(jù)尼奎斯特采樣定理,環(huán)路的穿越頻率理論上要小于開關(guān)頻率的1/2(一般都設(shè)置小于1/5,工程上通常取值為1/4~1/10),這樣開關(guān)頻率就不會對環(huán)路產(chǎn)生干擾,因為在開關(guān)頻率處環(huán)路增益已經(jīng)小于0db,反饋后衰減。

這里關(guān)于穿越頻率和開關(guān)電源的采樣頻率之間的取值關(guān)系可以這樣理解,將開關(guān)頻率與穿越頻率比作一個反饋調(diào)節(jié)過程。因為采樣的電氣參數(shù)需要經(jīng)過環(huán)路再到電源IC中。當(dāng)電源IC接收到反饋參數(shù)后,才會有相應(yīng)的動作來控制功率管的開關(guān)頻率。這段時間相對于開關(guān)管本身的動作時間慢很多。為了保證開關(guān)管有一個合適的開關(guān)狀態(tài),所以對應(yīng)的穿越頻率要比開關(guān)頻率小,主要還是為了彌補反饋環(huán)路中所耗費的時間。

12.開環(huán)與閉環(huán)

還是把開關(guān)電源的環(huán)路控制當(dāng)作運算放大器來講解。先解釋一下何謂開環(huán),何謂閉環(huán)。

在控制系統(tǒng)中環(huán)路增益通常分為開環(huán)增益和閉環(huán)增益。所謂開環(huán)是指運放不帶反饋網(wǎng)絡(luò)時的狀態(tài)。而閉環(huán)是運放引入加入反饋后的狀態(tài)。

13.開環(huán)增益和閉環(huán)增益

下面講一講開環(huán)增益和閉環(huán)增益。開環(huán)增益指運放在不帶反饋網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下,輸入電壓與輸出電壓的比值。因為運放自身的電氣特性及雜波干擾問題,會導(dǎo)致運放自激振蕩,導(dǎo)致開環(huán)增益很大,但不穩(wěn)定。而閉環(huán)增益是為了改善運放自身電氣性能, 從運放輸出端到輸入端引入一條反向的信號通路(構(gòu)成這條通路的網(wǎng)絡(luò)叫做反饋網(wǎng)絡(luò),這個反向傳輸?shù)男盘柦凶龇答佇盘?,通過輸出電壓的變化來調(diào)節(jié)運放內(nèi)部的電氣特性,從而實現(xiàn)信號的穩(wěn)定輸出。 運放在無反饋時的增益是開環(huán)增益,在考慮反饋時候的增益為閉環(huán)增益。

環(huán)路增益是衡量運放是否穩(wěn)定的重要參數(shù),一般來講環(huán)路增益越大,反饋深度越深,運放應(yīng)該越穩(wěn)定,但是閉環(huán)帶寬就越小。所以開關(guān)電源是否穩(wěn)定工作,與環(huán)路增益直接掛鉤。

14.相位裕量

接下來解釋的概念為相位裕量。

相位裕量是指運算放大器開環(huán)增益為0dB時的相位與180 ° 的相位的差值。該參數(shù)是分析運算放大器穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)。

如果系統(tǒng)的環(huán)路增益大于等于0dB且相移超過180 ° 時,閉環(huán)的放大電路就會不穩(wěn)定,從而產(chǎn)生自激振蕩。 相位裕量用來闡述系統(tǒng)距離產(chǎn)生自激振蕩的裕量大小,這就是相位裕量為什么會成為標(biāo)志運算放大器穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)的原因之一。

開關(guān)電源本身是負(fù)反饋,反饋信號相對與輸入信號相位差180度,如果環(huán)路中繼續(xù)增加相移,則相位偏差大于180゜,此時負(fù)反饋變成了正反饋。因為正反饋自身的特性會促使相位繼續(xù)偏移,最終反饋相位相對于輸入信號差值增大為360゜。此時的系統(tǒng)已經(jīng)處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

影響相位裕量的因素包括閉環(huán)回路的噪聲增益和負(fù)載情況。一般而言,噪聲增益愈小則相位裕量愈小。純阻性負(fù)載一般對相位裕量沒有影響,感性負(fù)載對相位裕量有改善作用,而實際應(yīng)用中最常應(yīng)用的容性負(fù)載則會降低運算放大器電路的相位裕量,從而導(dǎo)致系統(tǒng)易產(chǎn)生自激振蕩。

現(xiàn)在我從時域和頻域角度來分析一下相位裕量對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在時域中,相位裕量下降將導(dǎo)致信號的上升沿和下降沿的振蕩加大,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定時間延長。而在頻域中,相位裕量下降將使轉(zhuǎn)折頻率處出現(xiàn)尖峰。對于有負(fù)載的系統(tǒng),可以通過分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)獲得相位裕量的計算公式。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉