開關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償講解之開關(guān)電源反饋環(huán)路如何調(diào)試設(shè)計(jì)分析集合分享

作為電子工程師，每天接觸電源的設(shè)計(jì)工程師，發(fā)現(xiàn)不管是電源的老手，高手、新手，幾乎對(duì)控制環(huán)路的設(shè)計(jì)一籌莫展，基本上靠實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，靠實(shí)驗(yàn)是可以的，但出問題時(shí)往往無從下手，在這里我想以反激電源為例子(在所有拓?fù)渲协h(huán)路是最難的,由于RHZ 的存在)，大概說一下電源的環(huán)路控制，具體怎么設(shè)計(jì)，然后是如何計(jì)算的，至少使大家在有問題的時(shí)候，能夠從理論上分析出解決問題的思路。

先簡(jiǎn)單介紹下，環(huán)路設(shè)計(jì)中用到的一些基本知識(shí)。

電源中遇到的零極點(diǎn)

以上為示意圖，主要說明不同零極點(diǎn)的概念，不代表實(shí)際位置

電源控制環(huán)路常用的3種補(bǔ)償方式

單極點(diǎn)補(bǔ)償

適用于電流型控制和工作在DCM 方式并且濾波電容的ESR 零點(diǎn)頻率較低的電源.其主要作用原理是把控制帶寬拉低,在功率部分或加有其他補(bǔ)償?shù)牟糠值南辔贿_(dá)到180 度以前使其增益降到0dB. 也叫主極點(diǎn)補(bǔ)償。

雙極點(diǎn)、單零點(diǎn)補(bǔ)償

適用于功率部分只有一個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償。如：所有電流型控制和非連續(xù)方式電壓型控制。

三極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償

適用于輸出帶LC諧振的拓?fù)?，如所有沒有用電流型控制的電感電流連續(xù)方式拓?fù)洹Ｒ陨瞎街屑僭O(shè)C2<

環(huán)路穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)

只要在增益為1 時(shí)(0dB)整個(gè)環(huán)路的相移小于360 度，環(huán)路就是穩(wěn)定的。

但如果相移接近360度,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題：

相移可能因?yàn)闇囟?，?fù)載及分布參數(shù)的變化而達(dá)到360 度而產(chǎn)生震蕩；

接近360度，電源的階躍響應(yīng)(瞬時(shí)加減載)表現(xiàn)為強(qiáng)烈震蕩，使輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間加長(zhǎng)，超調(diào)量增加。如下圖所示具體關(guān)系：

所以環(huán)路要留一定的相位裕量，如圖Q=1時(shí)輸出是表現(xiàn)最好的，所以相位裕量的最佳值為52度左右，工程上一般取45度以上。如下圖所示：

這里要注意一點(diǎn)，就是補(bǔ)償放大器工作在負(fù)反饋狀態(tài)，本身就有180度相移，所以留給功率部分和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的只有180度。幅值裕度不管用上面哪種補(bǔ)償方式都是自動(dòng)滿足的，所以設(shè)計(jì)時(shí)一般不用特別考慮。由于增益曲線為-20dB/decade時(shí)，此曲線引起的最大相移為90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成的整個(gè)增益曲線應(yīng)該為-20dB/decade部分穿過0dB。在低于0dB帶寬后，曲線最好為-40dB/decade，這樣增益會(huì)迅速上升，低頻部分增益很高，使電源輸出的直流部分誤差非常小，既電源有很好的負(fù)載和線路調(diào)整率。

如何設(shè)計(jì)控制環(huán)路？

經(jīng)常主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。我們的前提就是假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成，然后來探討環(huán)路設(shè)計(jì)。環(huán)路設(shè)計(jì)一般由下面幾過程組成：

1）畫出已知部分的頻響曲線；

2）根據(jù)實(shí)際要求和各限制條件確定帶寬頻率,既增益曲線的0dB頻率；

3）根據(jù)步驟2)確定的帶寬頻率決定補(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn)。使帶寬處的曲線斜率為20dB/decade，畫出整個(gè)電路的頻響曲線。

上述過程也可利用相關(guān)軟件來設(shè)計(jì)，如pspice，POWER-4-5-6。

以下是一些解釋：

已知部分的頻響曲線是指除Kea(補(bǔ)償放大器)外的所有部分的乘積，在波得圖上是相加。

環(huán)路帶寬當(dāng)然希望越高越好，但受到幾方面的限制：

a）香農(nóng)采樣定理決定了不可能大于1/2Fs;

b）右半平面零點(diǎn)(RHZ)的影響，RHZ隨輸入電壓，負(fù)載，電感量大小而變化，幾乎無法補(bǔ)償，我們只有把帶寬設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)離它，一般取其1/4-1/5;

c）補(bǔ)償放大器的帶寬不是無窮大，當(dāng)把環(huán)路帶寬設(shè)的很高時(shí)會(huì)受到補(bǔ)償放大器無法提供增益的限制，及電容零點(diǎn)受溫度影響等。所以一般實(shí)際帶寬取開關(guān)頻率的1/6-1/10。

為幫助大家盡快掌握開關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)、應(yīng)用，熟悉自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，如零點(diǎn)/極點(diǎn)概念、對(duì)系統(tǒng)的影響，伯德圖、相位裕度、穿越頻率等，到什么是環(huán)路補(bǔ)償，補(bǔ)償在電路中的位置及作用、如何設(shè)置，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從功率等級(jí)、補(bǔ)償類型模型電路，學(xué)會(huì)電源環(huán)路補(bǔ)償整個(gè)完整的項(xiàng)目流程，全方位為幫助您解決各種電源環(huán)路設(shè)計(jì)上的難題。為此，小編精選了十本經(jīng)典的開關(guān)電源（SMPS）環(huán)路補(bǔ)償系列入門進(jìn)階書籍，供大家學(xué)習(xí)參考。

1.Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies

中文譯名：為線性和開關(guān)電源設(shè)計(jì)控制回路：教程指南。本書主要介紹了使用SPICE仿真設(shè)計(jì)開關(guān)電源，巴索的經(jīng)典開關(guān)電源著作之一。作為應(yīng)屆生和經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，提供了非常寶貴的SPICE模擬和實(shí)用設(shè)計(jì)的理論、案例指導(dǎo)。解釋了如何推導(dǎo)目前最流行的電源轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)建方法，本書搭配了600多幅開關(guān)電源模型，在使用焊錫之前，可以利用本書提供的案例，在SPICE電腦端模擬使用開關(guān)電源。

2.Switch-Mode Power Supplies：SPICE Simulations and Practical Designs

對(duì)于市場(chǎng)上很多開關(guān)電源的書籍，要么過于學(xué)術(shù)，跟實(shí)際世界缺乏聯(lián)系，要么就是太過于實(shí)用，缺乏設(shè)計(jì)實(shí)例中所需要用的大多數(shù)形式的理論基礎(chǔ)。本書通過提供技術(shù)性的內(nèi)容，來填補(bǔ)大部分電源工程師，在“實(shí)用性設(shè)計(jì)”方面的技術(shù)空缺。比如：第3章補(bǔ)償技術(shù)，不僅描述了運(yùn)算放大器，而且很多教科書帶有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TL431，在本書里也有會(huì)重點(diǎn)介紹到，例程中會(huì)提供一些流程的SPICE編輯器演示例子，提供目前市場(chǎng)上PSIM、Transim、Tina、Multisim、Intusoft多種演示電路模擬。

3.開關(guān)電源SPICE仿真與實(shí)用設(shè)計(jì)

推薦的第2本書的中文譯版，推薦大家閱讀英文原版基礎(chǔ)上，可以借鑒讀一下中文版本，加深對(duì)電源書籍的理論實(shí)踐部分的理解。本書特色是給出完整的開關(guān)電源變換器的理論、仿真設(shè)計(jì)方法，只給出必需的理論方程，同時(shí)通過大量的實(shí)例介紹來仿真分析。

4.Linear Circuit Transfer Functions

一本講解沒有繁瑣代數(shù)的情況下，以更系統(tǒng)的方式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。書里有很多例程，所有的答案和技巧，教你如何使用SPICE和MathCAD來雙重檢查。對(duì)于電子電路，電氣工程師等專業(yè)人士學(xué)習(xí)很有趣，也很有用。

5.Power Electronics Converte rs, Applications, and Design（電力電子轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)）

本書提供完整英文原版PDF+經(jīng)典講義+超詳細(xì)全套課后答案

電力電子轉(zhuǎn)換器應(yīng)用與設(shè)計(jì)第2版，英文原版，Ned Mohan著。本書介紹了500Kw功率范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換器應(yīng)用及相關(guān)設(shè)計(jì)，由新一代功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的各種實(shí)用的、新興的電力電子轉(zhuǎn)換器。對(duì)二極管整流器、晶閘管轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展討論，以及關(guān)于散熱器的新章節(jié)，一步步介紹設(shè)計(jì)方法的磁性元件，數(shù)字技術(shù)和常用的仿真軟件工具（如SPICE、MATLAB和EMTP）等電路模擬仿真。

6.Power Electronics Handbook - Devices, Circuits, and Applications （2011）電力電子手冊(cè) - 器件、電路和應(yīng)用

電力電子手冊(cè)第3版旨在吸引新一代的工程專業(yè)人員，本書包含四個(gè)章節(jié)內(nèi)容，涵蓋了可再生能源、能源傳輸、能源儲(chǔ)存，以及分布式和熱電聯(lián)產(chǎn)(DCG)技術(shù)的介紹，包括燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)組、微型渦輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、變速發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電和燃料電池。學(xué)習(xí)本書，能夠?yàn)橹付ǖ碾娏﹄娮釉O(shè)計(jì)項(xiàng)目提供技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)，并引導(dǎo)設(shè)計(jì)從概念到生產(chǎn)，到涉及重大的范圍和復(fù)雜性的實(shí)際應(yīng)用。

7.DC-to-DC Power Conversion（DC-DC電源轉(zhuǎn)換器）

電力電子領(lǐng)域涵蓋了所有的工程和科學(xué)領(lǐng)域處理電能的轉(zhuǎn)換。每個(gè)電力電子領(lǐng)域都有其自身的理論框架、基本原則、分析方法，以及工程學(xué)科。本書旨在提供對(duì)從事某一特定領(lǐng)域工作的學(xué)生、研究人員和工程師，對(duì)于電力電子-脈沖寬度調(diào)制（PWM）直流到直流電源轉(zhuǎn)換的技能要求。

8.Electric Circuits-10th edition - by James W. Nilsson&James W. Nilsson

一本國(guó)外的《電路》經(jīng)典教材，《Electric Circuits》第十版，作者是詹姆斯。本書適用于想系統(tǒng)了解電路的學(xué)生、工程師群體，這本書是近25年來使用最廣泛的電路入門教材。提供給學(xué)員個(gè)性化的學(xué)習(xí)、輔導(dǎo)，通過電路分析幫助解決如何使用技術(shù)，與實(shí)際工程師面臨的問題相關(guān)聯(lián)，如何評(píng)估問題，理解基本方程式和概念理論，幫助學(xué)員專注于電路中的關(guān)鍵原理。

9.Fast Analytical Techniques for Electrical & Electronic Circuits（電路電子快速分析技術(shù)）

目前大多數(shù)工程師和學(xué)生都知道的電路分析，唯一方法大都是節(jié)點(diǎn)或回路分析。這本書獨(dú)特之處在于，作者描述了解決復(fù)雜線性電路符號(hào)的形式，和獲得任何傳遞函數(shù)或阻抗等有意義參數(shù)的替代技術(shù)，為工程師提供了一整套解決電路設(shè)計(jì)問題的強(qiáng)大工具，也提供了讀者對(duì)于電路操作的理解。

10.開關(guān)變換器的建模與控制

本書系統(tǒng)論述了開關(guān)變換器建模與控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技術(shù)以及實(shí)用設(shè)計(jì)方法。主要內(nèi)容有：連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下開關(guān)變換器建模；斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下開關(guān)變換器建模；開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)；電壓控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；平均電流控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；峰值電流控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；開關(guān)變換器的仿真技術(shù)；諧振變換器建模。

十本開關(guān)電源（SMPS）必讀經(jīng)典環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)與分析叢書，資料截圖如下：

為幫助電源設(shè)計(jì)新手，工程師能夠更好地理解開關(guān)電源補(bǔ)償設(shè)計(jì)，單獨(dú)給初學(xué)者準(zhǔn)備了TI經(jīng)典環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)入門教程+學(xué)習(xí)視頻（視頻地址，請(qǐng)私聊助教單獨(dú)索取觀看鏈接~）包括且不限于如下內(nèi)容：電源轉(zhuǎn)換拓?fù)淦鞣诸?、控制環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)、電壓/電流模式升/降壓功率級(jí)、誤差放大器、開關(guān)穩(wěn)壓器補(bǔ)償、環(huán)路測(cè)試方法、負(fù)載階躍分析、環(huán)路測(cè)量...