开关电源控制环路设计

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1、开关电源控制环路设计（初级篇）电源联盟-高可靠电源行业第一自媒体在这里有电源 技术干货、电源行业发展趋势分析、最新电源产品介绍、 众多电源达人与您分享电源技术经验，关注我们，搜索微 信公众号：Power-union,与中国电源行业共成长！开关电 源控制环路设计（初级篇）1、环路和直流稳压电源的关系 稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？原文档:开关电 源控制环路设计（初级篇）下载方法：请看文章底部第一 条留言2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图 （由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相 位裕量，增益裕量穿越频率fc （cr ossover frequency）: 增益曲线穿

2、越0dB线的频率点相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相 位差增益裕量（Gain mar gin）:增益曲线在相位曲线达到- 180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳 定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定 的。准则1：在穿越频率处，总开环系统要有大于30度 的相位裕量； 准则2 :为防止-2增益斜率的电路相位 快速变化，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜 率应为-1（ -20db/10倍频程） 准则3:增益裕量是开环 系统的模的度量，该变化可能导致曲线刚好通过- 1 点。一 般需要6db的增益裕量。备注：应当注意，并

3、不是绝对要 求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1， 但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变 化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被 忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕量，使系统保持 稳定。要满足上述的 3个准则，我们需要知道开环系统所 有环节的增益和相位情况，引入传递函数，零极点的概念 可以很好的分析这个问题。传递函数零点极点如果输入 和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频 曲线将会有许多种形式。把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw) 表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。由传 递函数就可以绘制增益/相位曲线。通过代数运算，把 G(

4、s) 表示为G(s)二N(s)/D(s),其分子和分母都是s的函数，然后将 分子和分母进行因式分解，表示成多个因式的乘积，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)，分子中对应的频率fz为零点频率，而与分母 中对应的频率称fp为极点频率。f0称为初始极点。零极点 频率引起的增益斜率变化规则尝试用零点极点来分析一个 Type II补偿器转折频率Fz和Fp的设置。Fz和Fp相距越 远，相位裕量就越大。这样会使

5、低频增益减小，降低了抑 制低频纹波的衰减效果。同样高频增益增大，就会使高频 窄噪声尖峰以更大的幅值通过。如果Fz在Fz2而不再 Fz1,则在低频F1的增益是G1而不是G2 ；如果Fp在Fp2 而不再Fp1，则在高频Fh的增益是G3而不是G4。低频增益 和纹波的关系小信号模型3、常用的补偿控制器常用的补偿 控制器-Type II常用的补偿控制器-Type 1114、模拟环路设计 流程 模拟环路设计流程 1、收集系统参数，例如输入电 压，输出电压，滤波参数等，并确定开关频率 2、确定功率 级的零极点3、确定穿越频率和补偿器的类型 4、确定所需 要的补偿器的零极点5、计算实际的电阻电容参数设计实例

6、-个简单的同步降压buck电路（电压型）步骤1：收集系 统参数步骤2： 确定功率级的零极点由输出滤波电感和电 容引起的双极点：由输出电容RSR引起的零点从上面的曲 线中，我们可以计算出电压环的穿越频率：然后还可以计 算出电压环的相位裕量：问题：到目前为止开环系统已经 是稳定的，还需要设计环路吗？步骤 3：确定穿越频率和补 偿器的类型根据采样定理，穿越频率（fc）必须小于开关频率 的1/2,但实际上穿越频率必须远小于开关频率的 1/2,否则在 输出中将会有很大的开关纹波。这里开关频率为200k，我们 选择穿越频率20KHz （1/10开关频率）。因为fpo<fzo< fc <f

7、s/2,我们选择Type II型补偿器（可对照上一页分析 原因）步骤4： 确定所需要的补偿器的零极点步骤5： 计算 实际的电阻电容参数补偿器的bode图系统开环bode图5、数字和模拟环路的差别模拟控制的电源s 域（连续）数字控制的电源z 域（离散）数字控制的电源设计方法（直接/间接）6、相关仪器和软件的使用 Mathcad 简介：Mathcad是一种交互式数值计算系统，当输入一个 数学公式、方程组、矩阵等，计算机将直接给出计算结 果，而无须去考虑中间计算过程,就像打草稿一样简单，是 一种“所见即所得”的计算工具。因而 MathCad 在很多科技 领域中承担着复杂的数学计算,图形显示和文档处理

8、，是工 程技术人员不可多得的有力工具。Mathcad有五个扩展 库，分别是求解与优化、数据分析、信号处理、图像处理 和小波分析。主要运算功能：代数运算、线性代数、微积 分、符号计算、2D和3D图表、动画、函数、程序编写、逻辑运算、变量与单位的定义和计算等。个人评价： Mathcad 集编程，计算，显示，文档记录于一体。非常适 合电源开发计算应用（比如设计计算书等），能显著提高开 发效率，强烈推荐大家使用！前面的环路设计实例就是利 用Mathcad完成，整个环路设计过程就是一个数学计算， 将复杂的数学运算交给Mathcad去解决吧！仿真软件- saber 简介：被誉为全球最先进的系统仿真软件，也

9、是唯一 的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、 混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力 电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型 系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。 SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量 的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿 真软件不具备这样的功能。SABER的仿真真实性很好，从 仿真的电路到实际的电路实现，期间参数基本不用修改。 主要功能：（1）原理图输入和仿真（2）数据可视化和分析 （3）模型库（4）建模缺点：操作较复杂，原理图仿真常 常不收敛导致仿真失败。很占系统资源，环路扫频耗时太 长（

10、以几十分钟计）个人评价：很好很强大，但用起来很 郁闷。但不管怎么说，无愧于电源仿真软件的 No 1仿真软 件-psim简介：psim是专门用于电力电子及电机控制领域 的专业化仿真工具。psim具有快速的仿真功能和友好的用 户界面等优点。主要优点：psim和其他仿真软件的最重要 的差异是其仿真速度快的特点，环路扫频速度快（复杂点 的几分钟），原理图仿真基本都能收敛。设计者可完全根据 所掌握的主电路、控制方法等仿真知识直接进行设计。缺 点：波形和数据的分析能力偏弱，不够精确和细致。个人 评价：收敛好，适合原理性的仿真，速度快。基本够用。仿真软件-simplis简介：比SPICE快10到50倍SIM

11、PLIS作 为电路仿真软件，可实现开关电源系统的优化设计。和 SPICE-样，可实现部件级分析，但其开关电路的瞬态分析 速度比SPICE快10到50倍。独一无二的分析模式就瞬态 分析来说，SIMPLIS拥有两个以上SPICE产品所没有分析模 式。其中之一就是PeriodOpera-ting Point或称为POP分 析。这种分析方式可以在不需要进行电路启动瞬态仿真情 况下，快速确定开关系统的稳态工作点。该分析模式的一 个应用例子就是对开关电源系统负载瞬态影响的研究，这 只在系统被初始化到稳态下才是有意义的，一般电路达到 稳态需要经过几千个开关周期。而POP分析只需要几个周 期就能确定电路平衡状

12、态，从而大大缩短了整个仿真时 间。第二个独特的分析模式就是小信号AC分析。虽然传统 的模拟仿真器如SPICE也有这种分析模式，但其静态分析方 法并不适用于开关电路。SIMPLIS的AC分析模拟真实硬件 电路的扫频测量，在不需要获得平均模型的情况下得到幅 频曲线。个人评价：仿真速度快。但环路扫频的设置比较 复杂，波形分析能力太弱，有兴趣的可以了解一下。仿真 软件-matlab6、相关仪器和软件的使用油机电源电路特 点：该电源为基本的buck拓扑，采用电流内环，电压外环 的控制方式应对策略：对于双环嵌套的控制方式，应该首 先设计内环，只有在内环设计好的情况下才能设计外环。 由于buck拓扑主电路的

13、功率级电流小信号模型的传递函数 我们已经了解的很清楚，所以可以按照前面的方法采用 Mathcad或者matlab去设计环路。（实际上就是数学的计 算）经验分享：对于主电路功率级小信号模型（例如buck, boost, flybcak，半桥，全桥）传递函数已经明确的 情况下，可以使用Mathcad或者matlab去设计环路。参考 书籍:Fundamentals of Power Electronics（Robert W. Er ickson）电力电源电路特点：该电源为三电平拓扑，采用 电流内环,电压外环的控制方式应对策略：对于双环嵌套 的控制方式,应该首先设计内环,只有在内环设计好的情 况下才能

14、设计外环。由于三电平拓扑主电路的功率级电流 小信号模型的传递函数不是很了解,可以采用仿真软件（saber，psim等）通过扫频的方式首先获得功率级的传递 函数,然后再设计环路。经验分享：对于主电路功率级小 信号模型（例如LLC）传递函数不明确的情况下，可以借助 仿真软件去设计环路。8、总结本文的目的：让初学者能掌 握环路设计的基本概念和流程,灌输设计的理念,因为产 品的质量是设计出来的。由于本文是初级篇,只讲设计思 路和方法,非常具体的环路设计细则不在本文所包括的范 围,请参考其他书籍或后期培训交流。环路是一个相对复 杂繁琐的问题,设计只是让初学者能找到一条途径,不需 要过多的经验就能弄出一个还不错的环路,避免了初期的 盲目尝试和拼凑。当然因为这个设计是停留在理论上的, 一定要在实际的应用环境电路中去验证,调试,修改,直 至满足电路指标要求,避免纸上谈兵。经验丰富的开发人 员通常只需要通过经验和示波器就能调试出一个良好的环路，期待这些同事能分享一下环路的调试经验，谢谢！电源联盟-高可靠电源行业第一自媒体