开关电源的环路补偿(2017电源网交流会)

廖鸿飞广州[e-mail]提纲1.反馈环路的作用2.系统性能指标3.2、3型补偿的方法4.光耦与431反馈回路的补偿5.小结反馈环路的作用反馈环路的作用对于一个开环系统增益GinVoutVoutinVGVoutinVGV开环系统无法抑制扰动的影响反馈环路的作用反馈环路的作用引入反馈后()()()()(s)1sssGCsRGH闭环系统可以有效衰减扰动的影响，降低系统的灵敏度增益G()Rs()Cs补偿H+‐e()()()()(s)1sssGCsRGH反馈环路的作用反馈环路的作用电源系统主功率GvdrefVoV反馈H+‐GPWM补偿GC电源系统控制框图vdGcGHdcVerrV反馈环路的作用反馈环路的作用电源系统控制框图增益GrefVoV反馈H+‐()()()PWMcvdGsGGsGs()()1()()1()orefVGsGsVGsHsTsm()(s)H(s)=()()vdcHTsGGsGsV闭环传递函数：闭环系统不稳定条件：1+()=0Ts开环传递函数：()1()180oTsTs系统稳定性要求系统稳定性要求相角裕度：穿越频率对应的相位值与-180°的差值幅值裕度：当相位穿越-180°时对应的幅度值系统性能指标系统性能指标时域指标：闭环频域指标：开环频域指标：c(t)c(tp)c(tp)－c(∞)trtptst允许偏差±5％(或±2％)c(∞)c(∞)OMrM()M(0)0.707M(0)0rb带宽谐振峰值穿越频率相位裕度时域闭环频域开环频域稳态稳态误差零频幅值低频增益动态调节时间带宽穿越频率超调量谐振峰值相位裕量开环频域特性要求开环频域特性要求1.高的低频增益，带来足够的输出控制精度2.相位裕量3. 幅值裕量4.合适的穿越频率，良好快速的动态响应45o3dB补偿工具补偿工具由于电源主功率级往往达不到所期望的开环频域特性要求，因此需要进行补偿。根据主功率级传递函数的特性，主要有1,2,3型补偿3型补偿3型补偿(3(13)1)(221)()(12)(331)(211)sCRRsCRGssRCsCRsRC112(13)3zfRRC21222zfRC01212pfRC21221pfRC11233pfRC3型补偿常用于电压控制型电路的补偿，也称为双零点双极点补偿。3型补偿3型补偿0pf1zf2zf1pf2pf设定在LC滤波器双极点附近，其位置影响相位裕度影响系统的穿越频率抵消ESR零点的影响穿越频率2倍以上，提高高频抑制能力3型补偿3型补偿3型补偿中各元件的作用R1R2R3C1C2C3P0影响影响P1影响影响P2影响影响Z1影响影响影响Z2影响影响3型补偿实例3型补偿实例现有一BUCK，24inVV，12oVV5oIA100sfkHz30LuH22oCuF由传递函数21()1+oinCESRsGsVLsLCsR1ESR11010011031104110511061107604020020401501005005022.71351.527M.vdf()5.864180f()1071f3穿越频率太高低频增益太低补偿网络设计补偿网络设计1.确定穿越频率一般将穿越频率设置在（1/5~1/20）fs处1010scffkHz2. 设置零点位置补偿的双零点位于双极点附近，补偿的零点频率越低，相位裕度越大。由于系统的双极点位于处，因此可以将第一个零点设置在双极点的1/2处，另一个设置在双极点处。6kHz13zfkHz26zfkHz补偿网络设计补偿网络设计3. 设置极点位置一个极点用于抵消ESR零点的影响，因此频率为ESR零点和电容形成的频率点。另一个极点通常设置为穿越频率的两倍频率处，用于提高系统的高频抑制能力。11=7.22pofkHzESRC2220pcffkHz补偿网络设计补偿网络设计4. 确定穿越频率点所需的增益通过计算补偿零极点后的增益曲线在穿越频率点的增益，计算所需补偿的增益，从而确定初始极点位置系统在穿越频率处的增益20log(()()sysvdcccMGfGf系统所需补偿的增益-20=10=3500sysMK系统的初始极点频率0=5572pKfHz补偿网络设计补偿网络设计5. 补偿后的曲线110100110311041105110611071501005005010015010050068.898114.983M.total_sysf()38.716180.sysf()1071fo=49.969PM补偿网络设计补偿网络设计6. 确定电路参数13zfkHz26zfkHz0557pfHz17.2pfkHz230pfkHz设：1=10Rk2101=272)pCnFRf（2211=1.82)zRkCf（3121=2.72)zCnFRf（3311=8.22)pRkCf（1221=2.72)pCnFRf（补偿网络设计补偿网络设计7. 电路仿真I(I1-pos)/A2.533.544.55time/mSecs50uSecs/div29.829.8529.929.953030.0530.130.1530.2Vout/V9101112131R1VoutC327nIC=08.2kR410kR3X22.7kR212V5C22.7n2.5V61.8kR5V230uIC=0L1IDEALD1C122uIC=024V1S2U1I1C42.7n负载电流输出电压2型补偿2型补偿1+22()(12)(1+21)sCRGssRCsRC1222zfRC01212pfRC11221pfRC2型补偿常用于电流模式或DCM电压型变换电路的补偿，也称为单零点单极点补偿。2型补偿2型补偿抵消系统极点作用控制系统的穿越频率抵消ESR零点作用光耦与431的配合光耦与431的配合=ddFBcLEDpullupVVICTRIRmin=outfLEDLEDVVVIRmin+outfLEDcbiasVVVRCTRIICTRfbiasbiasVIR应保证三极管侧电流在合理范围二极管侧电流TL431偏置电流由最小的偏置电流和CTR值确定RLED的值光耦与431的配合光耦与431的配合()()pullupFBoutLEDRVsCTRVsR由431和光耦构成的反馈电路，会形成快通道和慢通道两条通道。会影响系统的直流增益LEDR还会影响系统零极点的分布，使补偿变的复杂LEDR采用431的2型补偿采用431的2型补偿由于快速通道的存在，采用431与光耦构成的反馈补偿网络与经典运放构成的补偿网络存在一些差别采用431的3型补偿采用431的3型补偿决定了直流增益和1个零点的位置LEDR光耦与431的配合光耦与431的配合可以增加快通道的供电电路，消除对零极点的影响LEDR光耦与431的配合光耦与431的配合消除快速通道的3型补偿光耦对环路的影响光耦对环路的影响由于光耦三极管的集电极和基极间存在一个比较大的电容，因此在典型应用中，光耦体现为一个单极点，带来的带宽影响与它连接的电阻Rpullup相关，降低此电阻有利于环路的补偿。12ppullupcbfRC环路稳定性的影响因素环路稳定性的影响因素1.补偿网络只是电源的一个部分，电源系统的稳定与动态响应还和主功率部分参数有关。2.反馈补偿是建立在小信号的基础上的，对于大信号的稳定性和动态响应还应该对电源系统进行整体考虑。3.反馈补偿环节是最容易导致系统不稳定的因素，但大多并不是因为补偿了不正确的零极点。4.采样信号的滤波也是反馈回路设计的重要组成部分。5.电源中反馈回路的PCB布线，光耦和运放的供电都是影响系统稳定性的重要因素。