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開關(guān)電源控制環(huán)路設(shè)計,新手必看!

發(fā)布時間:2020-02-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】環(huán)路是一個相對復(fù)雜繁瑣的問題,設(shè)計只是讓初學(xué)者能找到一條途徑,不需要過多的經(jīng)驗就能弄出一個還不錯的環(huán)路,避免了初期的盲目嘗試和拼湊。當(dāng)然因為這個設(shè)計是停留在理論上的,一定要在實際的應(yīng)用環(huán)境電路中去驗證,調(diào)試,修改,直至滿足電路指標(biāo)要求,避免紙上談兵。
 
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
 
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我們需要什么樣的電源?
 
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2、與環(huán)路相關(guān)的基本概念 
電源系統(tǒng)框圖
 
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Bode圖(由奈奎斯特圖測定穩(wěn)態(tài)裕量是很麻煩的)
 
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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度的頻率處對應(yīng)的增益
 
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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,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增益斜率對應(yīng)的相位曲線相位延遲較小,且變化相對緩慢,因此它能夠保證,當(dāng)某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時,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問題。。。
 
傳遞函數(shù)零點(diǎn)極點(diǎn)
 
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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)],
分子中對應(yīng)的頻率fz為零點(diǎn)頻率,而與分母中對應(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
 
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嘗試用零點(diǎn)極點(diǎn)來分析一個Type II補(bǔ)償器
 
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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
小信號模型
 
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3、常用的補(bǔ)償控制器 
常用的補(bǔ)償控制器-Type II

 
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常用的補(bǔ)償控制器-Type III
 
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4、模擬環(huán)路設(shè)計流程 
模擬環(huán)路設(shè)計流程
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、計算實際的電阻電容參數(shù)
 
設(shè)計實例-一個簡單的同步降壓buck電路(電壓型)
 
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步驟1:收集系統(tǒng)參數(shù)
 
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步驟2:確定功率級的零極點(diǎn)
 
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由輸出濾波電感和電容引起的雙極點(diǎn):
 
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由輸出電容RSR引起的零點(diǎn)
 
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從上面的曲線中,我們可以計算出電壓環(huán)的穿越頻率:
 
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然后還可以計算出電壓環(huán)的相位裕量:
 
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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)。
 
因為fpo<fzo< fc <fs/2,我們選擇Type II型補(bǔ)償器.(可對照上一頁分析原因)
 
步驟4:確定所需要的補(bǔ)償器的零極點(diǎn)
 
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步驟5:計算實際的電阻電容參數(shù)
 
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補(bǔ)償器的bode圖
 
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系統(tǒng)開環(huán)bode圖
 
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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))
 
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數(shù)字控制的電源-----z域(離散)
 
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數(shù)字控制的電源設(shè)計方法(直接/間接)
 
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6、相關(guān)儀器和軟件的使用 
 
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環(huán)路分析儀-環(huán)路設(shè)計最給力的助手
 
Mathcad
簡介:Mathcad是一種交互式數(shù)值計算系統(tǒng),當(dāng)輸入一個數(shù)學(xué)公式、方程組、矩陣等,計算機(jī)將直接給出計算結(jié)果,而無須去考慮中間計算過程,就像打草稿一樣簡單,是一種“所見即所得”的計算工具。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有五個擴(kuò)展庫,分別是求解與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、信號處理、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、符號計算、2D和3D圖表、動畫、函數(shù)    、程序編寫、邏輯運(yùn)算、變量與單位的定義和計算等。
個人評價:Mathcad集編程,計算,顯示,文檔記錄于一體。非常適合電源開發(fā)計算應(yīng)用(比如設(shè)計計算書等),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)計實例就是利用Mathcad完成,整個環(huán)路設(shè)計過程就是一個數(shù)學(xué)計算,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、混合技術(shù)設(shè)計和驗證工具的業(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的仿真真實性很好,從仿真的電路到實際的電路實現(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)路掃頻耗時太長(以幾十分鐘計)
 
個人評價: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
 
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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
者可完全根據(jù)所掌握的主電路、控制方法等仿真知識直接進(jìn)行設(shè)計。
 
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。
 
個人評價:收斂好,適合原理性的仿真,速度快?;緣蛴谩?br />  
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仿真軟件-simplis
 
簡介:比SPICE快10到50倍SIMPLIS作為電路仿真軟件,可實現(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。和SPICE一樣,可實現(xiàn)部件級分析,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)。該分析模式的一個應(yīng)用例子就是對開關(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)過幾千個開關(guān)周期。而POP分析只需要幾個周期就能確定電路平衡狀態(tài),從而大大縮短了整個仿真時間。第二個獨(dú)特的分析模式就是小信號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。
 
個人評價: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。
 
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仿真軟件-matlab
 
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7、經(jīng)驗分享 
 
油機(jī)電源
 
電路特點(diǎn):該電源為基本的buck拓?fù)?,采用電流?nèi)環(huán),電壓外環(huán)的控制方式
 
應(yīng)對策略:對于雙環(huán)嵌套的控制方式,應(yīng)該首先設(shè)計內(nèi)環(huán),只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計好的情況下才能設(shè)計外環(huán)。
由于buck拓?fù)渲麟娐返墓β始夒娏餍⌒盘柲P偷膫鬟f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)計環(huán)路。(實際上就是數(shù)學(xué)的計算)
 
經(jīng)驗分享:對于主電路功率級小信號模型(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)對策略:對于雙環(huán)嵌套的控制方式,應(yīng)該首先設(shè)計內(nèi)環(huán),只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計好的情況下才能設(shè)計外環(huán)。
由于三電平拓?fù)渲麟娐返墓β始夒娏餍⌒盘柲P偷膫鬟f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的傳遞函數(shù),然后再設(shè)計環(huán)路。
 
 
經(jīng)驗分享:對于主電路功率級小信號模型(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)計環(huán)路。
 
8、總結(jié) 
本文的目的:讓初學(xué)者能掌握環(huán)路設(shè)計的基本概念和流程,灌輸設(shè)計的理念,因為產(chǎn)品的質(zhì)量是設(shè)計出來的。由于本文是初級篇,只講設(shè)計思路和方法,非常具體的環(huán)路設(shè)計細(xì)則不在本文所包括的范圍,請參考其他書籍或后期培訓(xùn)交流。
 
環(huán)路是一個相對復(fù)雜繁瑣的問題,設(shè)計只是讓初學(xué)者能找到一條途徑,不需要過多的經(jīng)驗就能弄出一個還不錯的環(huán)路,避免了初期的盲目嘗試和拼湊。當(dāng)然因為這個設(shè)計是停留在理論上的,一定要在實際的應(yīng)用環(huán)境電路中去驗證,調(diào)試,修改,直至滿足電路指標(biāo)要求,避免紙上談兵。
 
 
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