開關(guān)電源反饋設(shè)計(jì)2要點(diǎn)

1、6.2反饋控制基礎(chǔ)在電路中一般有一個輸入量和輸出量。輸出或輸入可以是電壓或電流。輸出與輸入之比稱為電路的增 益。控制系統(tǒng)中，被控制量(輸出)與控制量(輸入)之比通常稱為傳遞函數(shù)。一個控制系統(tǒng)通常有許多 中間級，前級的輸出往往是后級的輸入，而后級的輸入作為前級的負(fù)載。因此，系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)是各級 傳遞函數(shù)的乘積。如果將系統(tǒng)輸出量的部分或全部回輸?shù)捷斎攵?，對輸入信號起作用，這就是反饋控制。如果反饋信號 消弱輸入信號，就稱為負(fù)反饋；如果反饋信號加強(qiáng)輸入信號，就稱為正反饋。正反饋會引起電路的不穩(wěn) 定，通常采用負(fù)反饋，避免正反饋。6.2.1 反饋方框圖和一般表達(dá)式為討論方便，我們以反饋放大器為例，討論反

2、饋的一些性質(zhì)。為了改善放大器的特性：穩(wěn)定增益，改變輸入輸出阻抗，提高抗干擾能力，或穩(wěn)定輸出量，常給放大器引入負(fù)反饋。反饋放大器方框圖如圖6.12所示。圖6.12反饋方框圖圖6.12中參數(shù)定義如下：開環(huán)增益 G ,或基本放大 器增益為X 一G = X(6-20)Xd反饋系數(shù)H定義為口 XfH =(6-21)Xo而閉環(huán)增益G f定義為G f = -(6-22)Xi因?yàn)閄i =Xf +Xd,考慮到式(6-1), (6-2)，式(6-3)可以寫成(6-23)X。 GXdGXdGXdG1 ?11sXi Xd Xf Xd HXo Xd GHXd 1 GH由式(6-23)可見，閉環(huán)增益 Gf與(1 + GH

3、 )有關(guān)：(1)若1十GH 1,則Gf G ,即引入反饋后，增益減少了，這種反饋稱為負(fù)反饋。(2)若1+GH G ,引入反饋以后。增益增加了，這種反饋稱為正反饋。正反饋雖 然使得增益增加，但使放大器工作不穩(wěn)定，很少應(yīng)用。(3)若1+GH =0,則Gf 一國，這就是說，沒有輸入信號，放大器仍然有輸出，這時放大器成了一 個振蕩器。6.2.2反饋深度與深度負(fù)反饋一一當(dāng)1 +GH 1就是負(fù)反饋。1 +GH越大，放大器增益下降越多，因此 1+GH是衡量負(fù)反饋程度的 一個重要指標(biāo)，稱為反饋深度。如果1+GH 1,稱為深度負(fù)反饋，即 GH 1,由式(6-23)得到八GG1G f = -(6-24)1GHGH

4、H由式（6-24）可以看到，深度負(fù)反饋放大器的閉環(huán)增益等于反饋系數(shù)的倒數(shù)。如果反饋電路由無源元 件例如電阻構(gòu)成，則閉環(huán)增益是非常穩(wěn)定的。式（6-23）右邊分母中的1 是Xd =Xi -X f 輸入信號與反饋信號的差值信號放大器的凈輸入信號。GH 1,就是說反饋信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凈輸入信號。如果反饋信號是電壓，凈輸入電壓為零，稱為虛短；如果反饋信號為電流，則凈輸入為零。稱為虛斷。6.2.3環(huán)路增益如果將輸入短路，凈輸入處斷開，在基本輸入端a,經(jīng)基本放大器輸出反饋網(wǎng)絡(luò)回到輸入斷開處b（圖6.12）的總增益稱為環(huán)路增益。因?yàn)?Xi =Xd Xf ,所以Xd u-Xf ,所以環(huán)路增益為(6-25)X- =

5、-GHXa6.2.4 負(fù)反饋放大器的類型根據(jù)輸出取樣（電壓或電流）和反饋信號與輸入信號連接方式（串聯(lián)還是并聯(lián)），負(fù)反饋有四種拓 撲：a.電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路拓?fù)潆妷捍?lián)負(fù)反饋電路拓?fù)淙鐖D6.13所示。Ri和Q組成分壓器，將輸出電壓的一部分反饋到輸入端,與凈輸入電壓串聯(lián)，故稱為電壓串聯(lián)反饋。電路作用圖6.13電壓串聯(lián)負(fù)反饋在輸入電壓不變時，當(dāng)負(fù)載變化，或放大器電源變化，或 電路參數(shù)引起電壓放大倍數(shù)變化時，如果沒有反饋，輸出電壓 將變化較大AU。例如引起輸出電壓增加，如果有反饋，則有UoTUfTUdJ一 Uo 1,即深度負(fù)反饋，則閉環(huán)增益為RiR2R2二1(6-26)或深度負(fù)反饋時，凈輸入為零-虛短

6、,Ui = Uf ,也可以得到相同結(jié)果。這就是運(yùn)算放大器中同相放大器。一般Hv小于1,要使GH 1,只有G1,這就要求放大器很高的電壓放大倍數(shù)才能達(dá)到深度負(fù)反 饋。b.電流串聯(lián)負(fù)反饋電路拓?fù)鋱D6.14為電流串聯(lián)負(fù)反饋。輸出電壓為負(fù)載電阻Ri上的電壓。如忽略放大器的輸入電流，取樣電阻Rs上電壓與負(fù)載電流成正比，此電壓反饋到輸入端，與凈輸入電壓串聯(lián)，故稱為電流串聯(lián)負(fù)反饋。應(yīng)當(dāng)注 意到與電壓反饋的區(qū)別：電壓反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)（R1和R2）與輸出電壓并聯(lián)，如果輸出短路，則反饋消失；而電流反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)（ RJ與輸出電壓串聯(lián)，即使 Rl=0,即輸出電壓為零，反饋電壓依然存在。電路作用圖6.14電壓串聯(lián)負(fù)反饋

7、當(dāng)輸入電壓不變時，因某種原因（例如負(fù)載電阻減少）使輸出電流加大，由于存在負(fù)反饋，有Io T - 5T -Ud J一 Io -M80。，n=0,1,2，(中af分別是G和H的相角)，Xf與Xi同相，Xd是Xi與Xf兩者之差，表現(xiàn)出負(fù)反饋?zhàn)饔?。但?dāng)頻率提高時，AF將產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達(dá)到中=中2+中f =(2n + 1)M80n=0,1,2,，Xf與Xi變?yōu)榉聪?，Xd是Xi與Xf兩者之和，導(dǎo)致輸出增大，甚至沒有輸入，由于電路的 瞬態(tài)擾動，在輸出端有輸出信號，再經(jīng)過反饋網(wǎng)路反饋到輸入端，得到. .Xd =0 -X f = -HXo ,在經(jīng)放大得到一個放大后的信號-GHX。如果這個信號正好等于

8、 X。，有Xo GHXo即GH =T(6-36)電路產(chǎn)生自激振蕩?？梢?，負(fù)反饋?zhàn)约ふ袷幵蚴荋與G附加相移。b.負(fù)反饋放大器穩(wěn)定工作條件從以上分析可以知道，自激振蕩的環(huán)路增益的幅值與相位條件為GH =1(6-37) a f = 2n 1 二,n =0,1,2.為了避免自激振蕩，放大器穩(wěn)定工作，必須破壞上述兩個條件：即在GH =1時相位移邛a +平f (2n+1* ,或相位中a +中f =(2n+1/時GH 2kQ）的限制。d.如果用一個分壓器組成輸入電路（圖 6.20）,則R1=R3/R4。e.輸出最大幅值受到電源及輸出管飽和壓降限制，即如果電源 Vcc=15V,輸出最大幅值為電源電壓減去飽和

9、壓降。還應(yīng)當(dāng) 注意，正負(fù)飽和壓降一般不相等。f.小信號放大時還應(yīng)當(dāng)注意失調(diào)電壓、失調(diào)電流的影響。一般 除了選擇失調(diào)電壓和失調(diào)電流較小的運(yùn)放以外，還應(yīng)當(dāng)在電 路上采取措施，消除失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響。實(shí)例如圖 6.21所示。圖6.20分壓器輸入的反相比例圖6.21中通過檢測電阻R5（0.72m Q ）檢測輸出電流（|。= 030A）,要求在 Io=2A 時，輸出 0.375V。當(dāng)Io=2A 時，Rs上電壓為 Us=0.72 X 10-3 X 2=1.44 X 10-3V 。需要閉環(huán)放大倍數(shù)為 A=Uo/U s= 0.375/（1.44 X 10-3）=260倍=26k/100。通常用一個 22

10、k固定電阻與一個 10k電位器串聯(lián)調(diào) 節(jié)代替。由于輸入信號小于1mV,與輸入失調(diào)電壓同等數(shù)量級，這里選用失調(diào)電壓較小的CA3240運(yùn)放。同時用一個100k電位器將失調(diào)電壓調(diào)整掉。100k電位器和兩個100k固定電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電阻（100Q）,避免運(yùn)算誤差。輸入端分別使用一個100 電阻，減少失調(diào)電流的影響。兩個輸入端調(diào)節(jié)失調(diào)電壓電阻很大，與兩端的100并聯(lián)，基本上不受偏置電流的影響。兩個 4n7電容消除電流檢測尖峰干擾。圖6.22增益放大器輸入電流為10mV/10k=1 A,則A點(diǎn)電位為Ua= g.最大電阻限制。如果你要一個高增益的放大器，例如1000倍，你是否采用圖6.22（a）電路？即使

11、運(yùn)放有足夠的增益帶寬，你是否就可以得到增益1000?不可能！沒有這樣的運(yùn)放和任何其它元件。在電阻一節(jié)中 PCB上不能大于1M , 電路板上漏電流使你得不到 10M 電 阻。如果你真要很大增益，你不是將10k 減少到 1k 10MQ減少到 1M 而應(yīng)當(dāng)采用圖 6.22（b）電路。如果反相輸入端是 10mV輸入，因?yàn)樘摰?100kx 1科A = 100mV。在1k電阻上流過的電流為 100 dA，此電流加上輸入 1科人共101科人, 在98k電阻上壓降為 101 AX 98k = 9.9V,加上 A點(diǎn)電位 0.1V輸出10V,則放大倍數(shù)為 10/0.01=1000。當(dāng)然要考慮偏置電流的溫度偏移的影

12、響。6.3.2 同相比例運(yùn)算圖6.23是一個同相放大器。從反饋的觀點(diǎn)來看，它是一個電壓串聯(lián)負(fù)o圖6.23同相放大器u i -U fR2R1R2反饋。具有輸出電阻低，輸入電阻高的特點(diǎn)。在深度負(fù)反饋時，利用虛短 得到(6-39)RUo=(1-)UiR2輸出與輸入成比例關(guān)系，相位相同，故稱為同相比例運(yùn)算。同相放大器特點(diǎn)：a.與反相放大器不同，同相放大器的反相輸入端跟隨同相輸入端信號變化而變化，有很大的共模信 號。因此，要求選用共模抑制比（ CMR）高的運(yùn)放。為此，大部分運(yùn)算電路采用反相電路拓?fù)?。b.與反相放大器一樣， R=Ri/R2,減少偏置電流的影響；C.如果R2= （或R2=0）,則Uo=Ui,

13、稱為跟隨器。這是利用電壓串聯(lián)反饋（Wj輸入阻抗和低輸出阻抗 特點(diǎn)，經(jīng)常用在信號源內(nèi)阻較大而負(fù)載電阻較小的中間級，作為隔離用。例如圖6.20中分壓器可以調(diào)整時，則等效電阻 Ri=R3R4就要改變，從而改變了比例系數(shù)。當(dāng)要求比例固定不便，又要分 壓器可調(diào)，一般在分壓器與比例（或積分）電路之間加一個跟隨器，使分壓器與后級電路互不影 響。6.3.3 求和電路一加法器6.24所示。與圖6.19比較可以看到加法電路也是反相運(yùn)在電源中一般采用反相加法電路，電路如圖 算。根據(jù)理想運(yùn)放輸入電流為零得到U i1 , U i2RiR2因此有-RfUo = U ii + U i2(6-40a)IR1R2)式中負(fù)號表示

14、反相運(yùn)算。如果Ri=R2=Rf,則U 0 = -(U ii U i2)(6-40b)6.3.4 減法運(yùn)算差動放大利用一個信號反相運(yùn)算，再與另一個信號求和可以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。減法運(yùn)算也可以通過差動放大，如圖6.25 (a)所示。從電路結(jié)構(gòu)可以看出，電路綜合了反相運(yùn)算和同相運(yùn)算。因?yàn)槭蔷€性電路故可用疊加原圖6.25減法運(yùn)算-差動放大器圖6.24加法電路理。i8如果Ui2=0,等效電路如圖(b),是一個反相放大器，因此有Uoi =-R2Uii Ri如果Uii=0,等效電路如圖(c)所示，是一個同相放大器，有Uo2i 嚕-4Ui2R1 J R3R4當(dāng)兩個輸入同時作用，總的輸出為Uo=U0i+Uo2= 1

15、 +善 c U i2 -詈U iiRi J R3 + R4Ri如果R2/Ri= R4/R3,則有(6-4i)Uo =R2 Ui2 -UiiRi實(shí)際差動放大器的 R3=Ri, R4=R2,即R2/Ri= R4/R3。差動放大器有較大的共模分量，要求選擇共模抑制比高的運(yùn)放，才能保證運(yùn)算精度。圖6.26所示電路是實(shí)際應(yīng)用的一個例子。圖6.26電流放大器開關(guān)電源中用一個電阻Rs檢測電流。為避免檢測電阻損耗太大，通常從零點(diǎn)幾 mV數(shù)百 mV。如果檢測電阻設(shè)計(jì)在地回 路中，檢測電阻前后的地電位相差電流檢測的電壓值。為此可以 將檢測電阻放在高端，如圖6.26所示。這樣電流放大一般采用差動放大器，只放大差模電

16、流檢測信號。但應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)選擇 CMR高的運(yùn)放，此外抑制共模信號與R2/Ri= R4/R3匹配精度有關(guān)。如果是5V,電阻匹配誤差i%,即使沒有共模信號，輸出仍 有50mV共模。如果價格允許，可以用0.i%公差電阻，也可以用i%電阻選配。6.3.5 積分運(yùn)算圖6.27是一個反相運(yùn)算積分器。根據(jù)反相放大器的基本關(guān)系利用拉普拉斯算子s得到23Uo(s)=j(s); Zi(s)1 SCR“ /、 Ui(s) Ui(s) = ztt sRC(6-42)(6-43)圖6.27積分電路和階躍輸入的輸出波形6.28所示。同樣根據(jù)反相運(yùn)算的基本(6-45)圖6.28微分電路和階躍響應(yīng)由拉氏反變換得到1Uo(t)

17、 = Ui(t)dtRC可見輸出與輸入成積分關(guān)系。如果輸入為階躍函數(shù)，則1 Ui UiUo一奇Ui出輸出成線性增長。如果用實(shí)際頻率代替復(fù)變量s,式(6-23)可以寫成UiUo=- (6-44)j RC可見，不管任何頻率，輸出與輸入相移除了反相運(yùn)算固有180相移外，還要滯后 90。并隨著頻率增加輸出電壓反 比下降。按照式(6-44)似乎在直流(3=0)時，增益為 無窮大。實(shí)際上運(yùn)放增益是有限的，由開環(huán)增益決定。實(shí)際運(yùn)放存在失調(diào)電流和失調(diào)電壓，在積分時間常數(shù) 較大時會產(chǎn)生較大的積分誤差。積分電容的漏電流也造成 積分誤差。6.3.6 微分運(yùn)算將圖6.26積分運(yùn)算的電阻和電容位置對調(diào)，即為微分運(yùn)算，如

18、圖 關(guān)系運(yùn)用拉普拉斯算子有U o(s) = _ 7 U i (s) = 一 U i (s) = -SRCU i (s)Z1(s)1 sC式(6-45)拉氏反變換得到dUi(t)U(t)=_RC dt可見，輸出于輸入成微分關(guān)系。微分運(yùn)算的階躍響應(yīng)如圖6.28b所示。一般信號源總有一些內(nèi)阻，在 t=0時，輸出電壓為 電源電壓限幅。隨著電容充電，輸出電壓逐漸衰減，最后趨于 零。因此，微分電路輸出反映輸入信號的變化部分。在討論頻 率特性的低頻響應(yīng)中也討論了微分電路，這里輸出相位超前輸 入 90 。6.3.7Venable校正網(wǎng)絡(luò)Venable提出三類補(bǔ)償放大器：I類，n類和出類放大器。分別如圖 6.2

19、7,6.29 和6.30所示。I類放大器就是圖 6.27積分放大器。n類放大器是比例積分放大器(圖 6.29),通常稱為PI調(diào)節(jié)器。利用復(fù)變量 s可以得到G UoGUiRi經(jīng)化簡得到1 C R21cSC22 SG1sC2 R2 1sC11 sR2c1sR(C1 C2)(1 sR2(C1C2(6-46a)C1C2)般C2Ci,由式(6-46a)得到n類放大器的傳遞函數(shù)為1 sR2cl(6-46b )sR(G C2)(1 sR2c2)式(6-46b )分母第一項(xiàng)提供一個原點(diǎn)極點(diǎn)，第二項(xiàng)提供一個單 極點(diǎn)；分母提供一個單零點(diǎn)。如果將復(fù)變量s用實(shí)際頻率表示，并令f p0fz2 二 R1(C1 C2)12 二 R2c21(6-46c )2 二 R2cl式(6-45b)改寫為C1 j(f fz)G 二j(f fpo)(1 - j(f fp)我們可以畫出n類補(bǔ)償放大器的波特圖，如圖 圖中Gm為中頻放大倍數(shù)，由 R2/R1決定。C2確定零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置，從而確定電路各元件參數(shù)。 路校正。出型補(bǔ)償放大器也稱為PID調(diào)節(jié)器。如