开关电源控制环路设计(初级篇)

开关电源控制环路设计（初级篇）开关电源控制环路设计（初级篇）Preparedby：ChenXiaominMobile：13699791397Email：[e-mail]：December30,2010Address：ShenzhenPoweringtheFuturePoweringtheFuture议程1、环路和直流稳压电源的关系2、与环路相关的基本概念波特图，环路稳定性判据，传递函数，零极点3、常用的补偿控制器PI,TypeII,TypeIII控制器（s域的传递函数，波特图）4、模拟环路设计流程4.1收集系统参数（输入电压，输出电压，输出电感电容，开关频率等）4.2确定功率级的零极点4.3根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器4.4确定补偿控制器的参数5、数字和模拟环路的差别5.1不同的设计方法，有何异同5.2数字控制的电源设计方法6、相关仪器和软件的使用6.1环路分析仪6.2mathcad6.3仿真软件saber,psim，simplis，spice等6.4matlab7、经验分享7.1油机电源MR48-2900环路设计经验分享7.2电力电源MR220-3000环路设计经验分享8、总结PoweringtheFuturePoweringtheFuture议程1、环路和直流稳压电源的关系2、与环路相关的基本概念波特图，环路稳定性判据，传递函数，零极点3、常用的补偿控制器PI,TypeII,TypeIII控制器（s域的传递函数，波特图）4、模拟环路设计流程4.1收集系统参数（输入电压，输出电压，输出电感电容，开关频率等）4.2确定功率级的零极点4.3根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器4.4确定补偿控制器的参数5、数字和模拟环路的差别5.1不同的设计方法，有何异同5.2数字控制的电源设计方法6、相关仪器和软件的使用6.1环路分析仪6.2mathcad6.3仿真软件saber,psim，simplis，spice等6.4matlab7、经验分享7.1油机电源MR48-2900环路设计经验分享7.2电力电源MR220-3000环路设计经验分享8、总结PoweringtheFuturePoweringtheFuture稳压电源工作原理稳压电源工作原理PoweringtheFuturePoweringtheFuture我们需要什么样的电源？PoweringtheFuturePoweringtheFuture议程1、环路和直流稳压电源的关系2、与环路相关的基本概念波特图，环路稳定性判据，传递函数，零极点3、常用的补偿控制器PI,TypeII,TypeIII控制器（s域的传递函数，波特图）4、模拟环路设计流程4.1收集系统参数（输入电压，输出电压，输出电感电容，开关频率等）4.2确定功率级的零极点4.3根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器4.4确定补偿控制器的参数5、数字和模拟环路的差别5.1不同的设计方法，有何异同5.2数字控制的电源设计方法6、相关仪器和软件的使用6.1环路分析仪6.2mathcad6.3仿真软件saber,psim，simplis，spice等6.4matlab7、经验分享7.1油机电源MR48-2900环路设计经验分享7.2电力电源MR220-3000环路设计经验分享8、总结PoweringtheFuturePoweringtheFuture电源系统框图PoweringtheFuturePoweringtheFutureBode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）PoweringtheFuturePoweringtheFuture穿越频率和相位裕量，增益裕量穿越频率fc（crossoverfrequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点相位裕量phasemargin）: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(Gainmargin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益PoweringtheFuturePoweringtheFuture环路稳定性判据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。。。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。PoweringtheFuturePoweringtheFuture传递函数零点极点阻抗用复变量s=jw=j（2*pi*f）表示：电阻R阻抗为R电容C阻抗为1/(s*C)电感L阻抗为s*L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。传递函数G(s)=Vo(s)/Vin(s)=Z2(s)/Z1(s)通过代数运算，把G(s)表示为G(s)=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。PoweringtheFuturePoweringtheFuture零极点频率引起的增益斜率变化规则一个零点，表示增益斜率变化了+1。一个极点，表示增益斜率变化了-1。零点会引起相位超前。由Fz处的零点，引起在频率F处超前的相位是：极点会引起相位滞后。由Fp处的极点，引起在频率F处滞后的相位是：PoweringtheFuturePoweringtheFuture尝试用零点极点来分析一个TypeII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。PoweringtheFuturePoweringtheFuture低频增益和纹波的关系dGvdVinGvvVo**dGidVinGivIo**GvvGivVinIodVcTVoFm-G1Gvd-G2GidFmGVoGvdVinGvvVo*1***)(*)(1*)(1)(sFmsGsGvdsGvvVinVo小信号模型其中：Gvv是输出对输入的传递函数（AudioSusceptibility），Giv是输出对输入的传递函数（输出电流对输入电压）Gvd是输出对控制的传递函数（电压环功率级）Gid是输出对控制的传递函数（电流环功率级）增大低频增益能够有效抑制低频纹波---（1）---（2）由式（1）可得出闭环时的输入扰动对输出的关系：PoweringtheFuturePoweringtheFuture议程1、环路和直流稳压电源的关系2、与环路相关的基本概念波特图，环路稳定性判据，传递函数，零极点3、常用的补偿控制器PI,TypeII,TypeIII控制器（s域的传递函数，波特图）4、模拟环路设计流程4.1收集系统参数（输入电压，输出电压，输出电感电容，开关频率等）4.2确定功率级的零极点4.3根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器4.4确定补偿控制器的参数5、数字和模拟环路的差别5.1不同的设计方法，有何异同5.2数字控制的电源设计方法6、相关仪器和软件的使用6.1环路分析仪6.2mathcad6.3仿真软件saber,psim，simplis，spice等6.4matlab7、经验分享7.1油机电源MR48-2900环路设计经验分享7.2电力电源MR220-3000环路设计经验分享8、总结PoweringtheFuturePoweringtheFuture常用的补偿控制器-TypeII传递函数为：零点极点把c2去掉就变成了PI控制器，从bode图上看，少了极点。PoweringtheFuturePoweringtheFuture常用的补偿控制器-TypeIII传递函数为：零点1零点2极点1极点2PoweringtheFuturePoweringtheFuture议程1、环路和直流稳压电源的关系2、与环路相关的基本概念波特图，环路稳定性判据，传递函数，零极点3、常用的补偿控制器PI,TypeII,TypeIII控制器（s域的传递函数，波特图）4、模拟环路设计流程4.1收集系统参数（输入电压，输出电压，输出电感电容，开关频率等）4.2确定功率级的零极点4.3根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器4.4确定补偿控制器的参数5、数字和模拟环路的差别5.1不同的设计方法，有何异同5.2数字控制的电源设计方法6、相关仪器和软件的使用6.1环路分析仪6.2mathcad6.3仿真软件saber,psim，simplis，spice等6.4matlab7、经验分享7.1油机电源MR48-2900环路设计经验分享7.2电力电源MR220-3000环路设计经验分享8、总结PoweringtheFuturePoweringtheFuture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PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-一个简单的同步降压buck电路（电压型）同步降压简图同步降压buck电路PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-步骤1：收集系统参数PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-步骤2：确定功率级的零极点fpo12LC1.868103Hs()1ESRCs1sLRloadESRCs2LCVin1Vosc由输出滤波电感和电容引起的双极点：fzo12ESRC4.019103由输出电容RSR引起的零点从右边的曲线中，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？PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-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fpofzofcfs/2，我们选择TypeII型补偿器.(可对照上一页分析原因)PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-步骤4：确定所需要的补偿器的零极点PoweringtheFuturePoweringtheFuture设计实例-步骤5：计算实际的电阻电容参数计算实际的电阻电容参数PoweringtheFuturePoweringtheFu