開關電源控制環(huán)設計過程大揭秘

1. 緒論

在開關模式的功率轉(zhuǎn)換器中，功率開關的導通時間是根據(jù)輸入和輸出電壓來調(diào)節(jié)的。因而，功率轉(zhuǎn)換器是一種反映輸入與輸出的變化而使其導通時間被調(diào)制的獨立控制系統(tǒng)。由于理論近似，控制環(huán)的設計往往陷入復雜的方程式中，使開關電源的控制設計面臨挑戰(zhàn)并且常常走入誤區(qū)。下面幾頁將展示控制環(huán)的簡單化近似分析，首先大體了解開關電源系統(tǒng)中影響性能的各種參數(shù)。給出一個實際的開關電源作為演示以表明哪些器件與設計控制環(huán)的特性有關。測試結(jié)果和測量方法也包含在其中。

2. 基本控制環(huán)概念

2.1 傳輸函數(shù)和博得圖

系統(tǒng)的傳輸函數(shù)定義為輸出除以輸入。它由增益和相位因素組成并可以在博得圖上分別用圖形表示。整個系統(tǒng)的閉環(huán)增益是環(huán)路里各個部分增益的乘積。在博得圖中，增益用對數(shù)圖表示。因為兩個數(shù)的乘積的對數(shù)等于他們各自對數(shù)的和，他們的增益可以畫成圖相加。系統(tǒng)的相位是整個環(huán)路相移之和。

2.2 極點

數(shù)學上，在傳輸方程式中，當分母為零時會產(chǎn)生一個極點。在圖形上，當增益以20dB每十倍頻的斜率開始遞減時，在博得圖上會產(chǎn)生一個極點。圖1舉例說明一個低通濾波器通常在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個極點。其傳輸函數(shù)和博得圖也一并給出。

2.3 零點

零點是頻域范圍內(nèi)的傳輸函數(shù)當分子等于零時產(chǎn)生的。在博得圖中，零點發(fā)生在增益以20dB每十倍頻的斜率開始遞增的點，并伴隨有90度的相位超前。圖2描述一個由高通濾波器電路引起的零點。

存在第二種零點，即右半平面零點，它引起相位滯后而非超前。伴隨著增益遞增，右半平面零點引起90度的相位滯后。右半平面零點經(jīng)常出現(xiàn)于BOOST和BUCK-BOOST轉(zhuǎn)換器中，所以，在設計反饋補償電路的時候要非常警惕，以使系統(tǒng)的穿越頻率大大低于右半平面零點的頻率。右半平面零點的博得圖見圖3。

3.0 開關電源的理想增益相位圖

設計任何控制系統(tǒng)首先必須清楚地定義出目標。通常，這個目標是建立一個簡單的博得圖以達到最好的系統(tǒng)動態(tài)響應，最緊密的線性和負載調(diào)節(jié)率和最好的穩(wěn)定性。理想的閉環(huán)博得圖應該包含三個特性：足夠的相位裕量，寬的帶寬，和高增益。高的相位裕量能阻尼振蕩并縮短瞬態(tài)調(diào)節(jié)時間。寬的帶寬允許電源系統(tǒng)快速響應線性和負載的突變。高的增益保證良好的線性和負載調(diào)節(jié)率。

3.1 相位裕量

參看圖4，相位裕量是在穿越頻率處相位高于0度的數(shù)量。這不同于大多數(shù)控制系統(tǒng)教科書里提出的從-180度開始測量相位裕量。其中包括DC負反饋所提供的180度初始相移。在實際測量中，這180度相移在DC處被補償并允許相位裕量從0度開始測量。

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，當系統(tǒng)的相位裕量大于0度時，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。然而，有一個邊界穩(wěn)定區(qū)域存在，此處（指邊界穩(wěn)定區(qū)，譯注），系統(tǒng)由于瞬態(tài)響應引起振蕩到經(jīng)過一個長的調(diào)節(jié)時間最終穩(wěn)定下來。如果相位裕量小于45度，則系統(tǒng)在邊界穩(wěn)定。當相位裕量超過45度時，能提供最好的動態(tài)響應，短的調(diào)節(jié)時間和最少過沖。

3.2 增益帶寬

增益帶寬是指單位增益時的頻率，見圖4，增益帶寬就是穿越頻率Fcs。最大穿越頻率的主要限制因素是電源的開關頻率。根據(jù)采樣定理，如果采樣頻率小于2倍信號頻率（更嚴謹一點的說法是應該小于2倍最大信號頻率，譯注），則被采樣的信息就不能被完全讀取

在開關電源中，開關頻率可以從輸出紋波中看得出來，它是錯誤的信息，并且必須不被控制環(huán)路所傳遞。因此，系統(tǒng)的穿越頻率必須小于開關頻率的一半，否則，開關噪聲和紋波會扭曲輸出電壓中想要得到的信息，并導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.3 增益

高的系統(tǒng)增益對于保證好的線性和負載調(diào)節(jié)率提供重要貢獻。它能夠使PWM比較器在響應輸入輸出電壓的變化時精確地改變電源開關的占空比，通常，需要在決定高增益和低相位裕量之間做出權(quán)衡。

2.3 零點

零點是頻域范圍內(nèi)的傳輸函數(shù)當分子等于零時產(chǎn)生的。在博得圖中，零點發(fā)生在增益以20dB每十倍頻的斜率開始遞增的點，并伴隨有90度的相位超前。圖2描述一個由高通濾波器電路引起的零點。

存在第二種零點，即右半平面零點，它引起相位滯后而非超前。伴隨著增益遞增，右半平面零點引起90度的相位滯后。右半平面零點經(jīng)常出現(xiàn)于BOOST和BUCK-BOOST轉(zhuǎn)換器中，所以，在設計反饋補償電路的時候要非常警惕，以使系統(tǒng)的穿越頻率大大低于右半平面零點的頻率。右半平面零點的博得圖見圖3。

3.0 開關電源的理想增益相位圖

設計任何控制系統(tǒng)首先必須清楚地定義出目標。通常，這個目標是建立一個簡單的博得圖以達到最好的系統(tǒng)動態(tài)響應，最緊密的線性和負載調(diào)節(jié)率和最好的穩(wěn)定性。理想的閉環(huán)博得圖應該包含三個特性：足夠的相位裕量，寬的帶寬，和高增益。高的相位裕量能阻尼振蕩并縮短瞬態(tài)調(diào)節(jié)時間。寬的帶寬允許電源系統(tǒng)快速響應線性和負載的突變。高的增益保證良好的線性和負載調(diào)節(jié)率。

3.1 相位裕量

參看圖4，相位裕量是在穿越頻率處相位高于0度的數(shù)量。這不同于大多數(shù)控制系統(tǒng)教科書里提出的從-180度開始測量相位裕量。其中包括DC負反饋所提供的180度初始相移。在實際測量中，這180度相移在DC處被補償并允許相位裕量從0度開始測量。

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，當系統(tǒng)的相位裕量大于0度時，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。然而，有一個邊界穩(wěn)定區(qū)域存在，此處（指邊界穩(wěn)定區(qū)，譯注），系統(tǒng)由于瞬態(tài)響應引起振蕩到經(jīng)過一個長的調(diào)節(jié)時間最終穩(wěn)定下來。如果相位裕量小于45度，則系統(tǒng)在邊界穩(wěn)定。當相位裕量超過45度時，能提供最好的動態(tài)響應，短的調(diào)節(jié)時間和最少過沖。

3.2 增益帶寬

增益帶寬是指單位增益時的頻率，見圖4，增益帶寬就是穿越頻率Fcs。最大穿越頻率的主要限制因素是電源的開關頻率。根據(jù)采樣定理，如果采樣頻率小于2倍信號頻率（更嚴謹一點的說法是應該小于2倍最大信號頻率，譯注），則被采樣的信息就不能被完全讀取

在開關電源中，開關頻率可以從輸出紋波中看得出來，它是錯誤的信息，并且必須不被控制環(huán)路所傳遞。因此，系統(tǒng)的穿越頻率必須小于開關頻率的一半，否則，開關噪聲和紋波會扭曲輸出電壓中想要得到的信息，并導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.3 增益

高的系統(tǒng)增益對于保證好的線性和負載調(diào)節(jié)率提供重要貢獻。它能夠使PWM比較器在響應輸入輸出電壓的變化時精確地改變電源開關的占空比，通常，需要在決定高增益和低相位裕量之間做出權(quán)衡。

4. 實際設計分析舉例

用經(jīng)典環(huán)路控制分析方法，開關調(diào)整器的控制環(huán)分為四個主要部分：輸出濾波器，PWM電路，誤差放大器補償和反饋。圖5用方塊圖舉例說明這四部