實(shí)用開關(guān)電源控制環(huán)路設(shè)計(jì)！

本文旨在讓初學(xué)者能掌握環(huán)路設(shè)計(jì)的基本概念和流程，灌輸設(shè)計(jì)的理念，因?yàn)楫a(chǎn)品的質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的。由于本文只講設(shè)計(jì)思路和方法，非常具體的環(huán)路設(shè)計(jì)細(xì)則不在本文所包括的范圍，請(qǐng)參考其他資料。

1、環(huán)路和直流穩(wěn)壓電源的關(guān)系

穩(wěn)壓電源工作原理

我們需要什么樣的電源？

2、與環(huán)路相關(guān)的基本概念

電源系統(tǒng)框圖

Bode圖（由奈奎斯特圖測定穩(wěn)態(tài)裕量是很麻煩的）

穿越頻率和相位裕量，增益裕量

■ 穿越頻率fc（crossover frequency）:增益曲線穿越0dB線的頻率點(diǎn)

■相位裕量phase margin）:相位曲線在穿越頻率處的相位和-180度之間的相位差

■增益裕量(Gain margin):增益曲線在相位曲線達(dá)到-180度的頻率處對(duì)應(yīng)的增益

環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)的相位裕量大于0度時(shí)，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

■?準(zhǔn)則1：在穿越頻率處，總開環(huán)系統(tǒng)要有大于30度的相位裕量；

■?準(zhǔn)則2：為防止-2增益斜率的電路相位快速變化，系統(tǒng)的開環(huán)增益曲線在穿越頻率附近

的增益斜率應(yīng)為-1（ -20db/10倍頻程)

■?準(zhǔn)則3: 增益裕量是開環(huán)系統(tǒng)的模的度量，該變化可能導(dǎo)致曲線剛好通過-1 點(diǎn)。一般需要6db的增益裕量。

備注：應(yīng)當(dāng)注意，并不是絕對(duì)要求開環(huán)增益曲線在穿越頻率附近的增益斜率為必須為-1，但是由于-1增益斜率對(duì)應(yīng)的相位曲線相位延遲較小，且變化相對(duì)緩慢，因此它能夠保證，當(dāng)某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時(shí)，相位曲線仍將具有足夠的相位裕量，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

要滿足上述的3個(gè)準(zhǔn)則，我們需要知道開環(huán)系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的增益和相位情況，引入傳遞函數(shù)，零極點(diǎn)的概念可以很好的分析這個(gè)問題。

傳遞函數(shù)零點(diǎn)極點(diǎn)

如果輸入和反饋支路是由不同的電阻和電容構(gòu)成的，則幅頻和相頻曲線將會(huì)有許多種形式。

把阻抗Z1和Z2用復(fù)變量s(s=jw)表示，經(jīng)過一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將會(huì)得到傳遞函數(shù)。由傳遞函數(shù)就可以繪制增益/相位曲線。

通過代數(shù)運(yùn)算，把G(s)表示為G(s)=N(s)/D(s),其分子和分母都是s的函數(shù)， 然后將分子和分母進(jìn)行因式分解，表示成多個(gè)因式的乘積，即

G(s)=N(s)/D(s)=[(1+s/2*pi*fz1)(1+s/2*pi*fz2)(1+/2*pi*fz3)]/

[（s/2*pi*f0）*(1+s/2*pi*fp1)*( 1+s/2*pi*fp2)* (1+s/2*pi*fp3)]，

分子中對(duì)應(yīng)的頻率fz為零點(diǎn)頻率，而與分母中對(duì)應(yīng)的頻率稱fp為極點(diǎn)頻率。f0稱為初始極點(diǎn)。

零極點(diǎn)頻率引起的增益斜率變化規(guī)則

嘗試用零點(diǎn)極點(diǎn)來分析一個(gè)Type II補(bǔ)償器

轉(zhuǎn)折頻率Fz和Fp的設(shè)置。

Fz和Fp相距越遠(yuǎn)，相位裕量就越大。這樣會(huì)使低頻增益減小，降低了抑制低頻紋波的衰減效果。同樣高頻增益增大，就會(huì)使高頻窄噪聲尖峰以更大的幅值通過。如果Fz在Fz2而不再Fz1，則在低頻F1的增益是G1而不是G2；如果Fp在Fp2而不再Fp1,則在高頻Fh的增益是G3而不是G4。

低頻增益和紋波的關(guān)系

小信號(hào)模型

3、常用的補(bǔ)償控制器

常用的補(bǔ)償控制器-Type II

常用的補(bǔ)償控制器-Type III

4、模擬環(huán)路設(shè)計(jì)流程

模擬環(huán)路設(shè)計(jì)流程

1、收集系統(tǒng)參數(shù)，例如輸入電壓，輸出電壓，濾波參數(shù)等，并確定開關(guān)頻率

2、確定功率級(jí)的零極點(diǎn)

3、確定穿越頻率和補(bǔ)償器的類型

4、確定所需要的補(bǔ)償器的零極點(diǎn)

5、計(jì)算實(shí)際的電阻電容參數(shù)

設(shè)計(jì)實(shí)例-一個(gè)簡單的同步降壓buck電路（電壓型）

步驟1：收集系統(tǒng)參數(shù)

步驟2：確定功率級(jí)的零極點(diǎn)

由輸出濾波電感和電容引起的雙極點(diǎn)：

由輸出電容RSR引起的零點(diǎn)

從上面的曲線中，我們可以計(jì)算出電壓環(huán)的穿越頻率：

然后還可以計(jì)算出電壓環(huán)的相位裕量：

問題：到目前為止開環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)是穩(wěn)定的，還需要設(shè)計(jì)環(huán)路嗎？

步驟3：確定穿越頻率和補(bǔ)償器的類型

根據(jù)采樣定理，穿越頻率(fc)必須小于開關(guān)頻率的1/2,但實(shí)際上穿越頻率必須遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的1/2,否則在輸出中將會(huì)有很大的開關(guān)紋波。這里開關(guān)頻率為200k,我們選擇穿越頻率20KHz（1/10開關(guān)頻率）。

因?yàn)閒po

步驟4：確定所需要的補(bǔ)償器的零極點(diǎn)

步驟5：計(jì)算實(shí)際的電阻電容參數(shù)

補(bǔ)償器的bode圖

系統(tǒng)開環(huán)bode圖

5、數(shù)字和模擬環(huán)路的差別

模擬控制的電源--s域（連續(xù)）

數(shù)字控制的電源-----z域（離散）

數(shù)字控制的電源設(shè)計(jì)方法（直接/間接）

6、相關(guān)儀器和軟件的使用

環(huán)路分析儀-環(huán)路設(shè)計(jì)最給力的助手

Mathcad

簡介：Mathcad是一種交互式數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)，當(dāng)輸入一個(gè)數(shù)學(xué)公式、方程組、矩陣等，計(jì)算機(jī)將直接給出計(jì)算結(jié)果，而無須去考慮中間計(jì)算過程,就像打草稿一樣簡單，是一種“所見即所得”的計(jì)算工具。因而MathCad在很多科技領(lǐng)域中承擔(dān)著復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,圖形顯示和文檔處理，是工程技術(shù)人員不可多得的有力工具。

Mathcad有五個(gè)擴(kuò)展庫，分別是求解與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、圖像處理和小波分析。

主要運(yùn)算功能：代數(shù)運(yùn)算、線性代數(shù)、微積分、符號(hào)計(jì)算、2D和3D圖表、動(dòng)畫、函數(shù)?、程序編寫、邏輯運(yùn)算、變量與單位的定義和計(jì)算等。

個(gè)人評(píng)價(jià)：Mathcad集編程，計(jì)算，顯示，文檔記錄于一體。非常適合電源開發(fā)計(jì)算應(yīng)用（比如設(shè)計(jì)計(jì)算書等），能顯著提高開發(fā)效率，強(qiáng)烈推薦大家使用！

前面的環(huán)路設(shè)計(jì)實(shí)例就是利用Mathcad完成，整個(gè)環(huán)路設(shè)計(jì)過程就是一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算交給Mathcad去解決吧！

仿真軟件-saber

簡介：被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，這也是SABER的最大特點(diǎn)。SABER作為混合仿真系統(tǒng)，可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問題，其他仿真軟件不具備這樣的功能。SABER的仿真真實(shí)性很好，從仿真的電路到實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)，期間參數(shù)基本不用修改。

主要功能：

（1）原理圖輸入和仿真

（2）數(shù)據(jù)可視化和分析

（3）模型庫

（4）建模

缺點(diǎn)：操作較復(fù)雜，原理圖仿真常常不收斂導(dǎo)致仿真失敗。很占系統(tǒng)資源，環(huán)路掃頻耗時(shí)太長（以幾十分鐘計(jì)）

個(gè)人評(píng)價(jià)：很好很強(qiáng)大，但用起來很郁悶。但不管怎么說，無愧于電源仿真軟件的No 1

仿真軟件-psim

簡介：psim是專門用于電力電子及電機(jī)控制領(lǐng)域的專業(yè)化仿真工具。psim具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優(yōu)點(diǎn)。

主要優(yōu)點(diǎn)：psim和其他仿真軟件的最重要的差異是其仿真速度快的特點(diǎn)，環(huán)路掃頻速度快（復(fù)雜點(diǎn)的幾分鐘），原理圖仿真基本都能收斂。設(shè)計(jì) 者可完全根據(jù)所掌握的主電路、控制方法等仿真知識(shí)直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。

缺點(diǎn)：波形和數(shù)據(jù)的分析能力偏弱，不夠精確和細(xì)致。

個(gè)人評(píng)價(jià)：收斂好，適合原理性的仿真，速度快?；緣蛴?。

仿真軟件-simplis

簡介：比SPICE快10到50倍SIMPLIS作為電路仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。和SPICE一樣，可實(shí)現(xiàn)部件級(jí)分析，但其開關(guān)電路 的瞬態(tài)分析速度比SPICE快10到50倍。

獨(dú)一無二的分析模式就瞬態(tài)分析來說，SIMPLIS擁有兩個(gè)以上SPICE產(chǎn)品所沒有分析模式。其中之一就是PeriodOpera-ting Point或稱為POP分析。

這種分析方式可以在不需要進(jìn)行電路啟動(dòng)瞬態(tài)仿真情況下，快速確定開關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。該分析模式的一個(gè)應(yīng)用例子就是對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)負(fù)載瞬態(tài)影響的研究，這只在系統(tǒng)被初始化到穩(wěn)態(tài)下才是有意義的，一般電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要經(jīng)過幾千個(gè)開關(guān)周期。而POP分析只需要幾個(gè)周期就能確定電路平衡狀態(tài)，從而大大縮短了整個(gè)仿真時(shí)間。第二個(gè)獨(dú)特的分析模式就是小信號(hào)AC分析。雖然傳統(tǒng)的模擬仿真器如SPICE也有這種分析模式，但其靜態(tài)分析方法并不適用于開關(guān)電路。SIMPLIS的AC分析模擬真實(shí)硬件電路的掃頻測量，在不需要獲得平均模型的情況下得到幅頻曲線。

個(gè)人評(píng)價(jià)：仿真速度快。但環(huán)路掃頻的設(shè)置比較復(fù)雜， 波形分析能力太弱，有興趣的可以了解一下。

仿真軟件-matlab

7、經(jīng)驗(yàn)分享

油機(jī)電源

電路特點(diǎn)：該電源為基本的buck拓?fù)洌捎秒娏鲀?nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制方式

應(yīng)對(duì)策略：對(duì)于雙環(huán)嵌套的控制方式，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)好的情況下才能設(shè)計(jì)外環(huán)。

由于buck拓?fù)渲麟娐返墓β始?jí)電流小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)我們已經(jīng)了解的很清楚，所以可以按照前面的方法采用Mathcad或者matlab去設(shè)計(jì)環(huán)路。（實(shí)際上就是數(shù)學(xué)的計(jì)算）

經(jīng)驗(yàn)分享：對(duì)于主電路功率級(jí)小信號(hào)模型（例如buck，boost，flybcak，

半橋，全橋）傳遞函數(shù)已經(jīng)明確的情況下，可以使用Mathcad或者matlab去設(shè)計(jì)環(huán)路。

參考書籍：《Fundamentals of Power Electronics》（Robert W. Erickson）

電力電源

電路特點(diǎn)：該電源為三電平拓?fù)?，采用電流?nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制方式

應(yīng)對(duì)策略：對(duì)于雙環(huán)嵌套的控制方式，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)好的情況下才能設(shè)計(jì)外環(huán)。

由于三電平拓?fù)渲麟娐返墓β始?jí)電流小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)不是很了解，可以采用仿真軟件（saber，psim等）通過掃頻的方式首先獲得功率級(jí)的傳遞函數(shù)，然后再設(shè)計(jì)環(huán)路。

經(jīng)驗(yàn)分享：對(duì)于主電路功率級(jí)小信號(hào)模型（例如LLC）傳遞函數(shù)不明確的情況下，可以借助仿真軟件去設(shè)計(jì)環(huán)路。

8、總結(jié)

環(huán)路是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜繁瑣的問題，設(shè)計(jì)只是讓初學(xué)者能找到一條途徑，不需要過多的經(jīng)驗(yàn)就能弄出一個(gè)還不錯(cuò)的環(huán)路，避免了初期的盲目嘗試和拼湊。當(dāng)然因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)是停留在理論上的，一定要在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境電路中去驗(yàn)證，調(diào)試，修改，直至滿足電路指標(biāo)要求，避免紙上談兵。

經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員通常只需要通過經(jīng)驗(yàn)和示波器就能調(diào)試出一個(gè)良好的環(huán)路，期待這些同事能分享一下環(huán)路的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

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