環(huán)路控制學習總結(jié)(蕁麻草)

1、環(huán)路學習總結(jié)學習環(huán)路控制快一年了，學過的知識需要時常歸納總結(jié)，才能不斷進步。發(fā)個貼，就是希望能夠記錄自己在環(huán)路控制學習道路的成長。論壇里關(guān)于環(huán)路控制的經(jīng)典帖子，幾乎討論到了開環(huán)電源環(huán)路控制的方方面面，同時，我們會經(jīng)常看到一些大師前輩的身影，如greendot，doaer，networkpower，CMG.也會經(jīng)?？匆恍扒嗄瓴趴　?，如yanpm，not2much，basso.坦白講，作為不知天高地厚的freshman，我不知道自己能不能總結(jié)出來一些有新意的東西，但是，我覺得，總結(jié)不僅僅是對知識的梳理，更重要的是對自己的過去有個交代。今天先挖個坑.以后慢慢填，由于坑比較大，可能要花很長時間才能填

2、滿。所謂總結(jié)，要有側(cè)重點，我認為，過于理論化的推導，對工程設(shè)計實踐并無太大的幫助，作為應(yīng)用工程師，我們最關(guān)心的還是那些能夠指導工程實踐的”有用“的理論、方法.鑒于此，先擬定個目錄，避免跑偏（即總結(jié)的內(nèi)容必須與實際設(shè)計相關(guān)，并力求言簡意賅、邏輯嚴謹、通俗易懂），另外，不涉及仿真：1.開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖、開環(huán)、閉環(huán)、穩(wěn)定性、系統(tǒng)校正等這部分內(nèi)容主要從控制系統(tǒng)的角度對開關(guān)電源進行功能劃分，介紹開環(huán)、閉環(huán)、穩(wěn)定性等，在此基礎(chǔ)上介紹開關(guān)電源系統(tǒng)校正，并試圖從理論上解釋線性調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出穩(wěn)態(tài)誤差等產(chǎn)生的原因。Bode圖是工程技術(shù)領(lǐng)域最常用的分析工具，如何應(yīng)用到開關(guān)電源環(huán)路設(shè)計？ 1.1開關(guān)電源系

3、統(tǒng) 1.2開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng) 1.3開關(guān)電源的動態(tài)、穩(wěn)態(tài) 1.4補償校正2.常見的PFC、DC-DC功率級傳函特性，以及對應(yīng)的環(huán)路控制策略這部分內(nèi)容主要通過介紹常見的PFC在DCM、CRM、CCM下的控制方式及傳函特性，常見DC-DC分別在電壓控制模式、峰值電流控制模式下功率級的傳函特性，來聊一聊對應(yīng)的環(huán)路補償策略。3.基于431、光耦的I、II、III型補償電路和基于基于運算放大器、光耦的I、II、III型補償電路這部分內(nèi)容主要總結(jié)常見的由431、光耦、運算放大器組成的經(jīng)典I、II、III型補償電路，并給出傳遞函數(shù)。4.環(huán)路控制設(shè)計實戰(zhàn)這部分內(nèi)容主要涉及開關(guān)電源動態(tài)負載特性，穿越頻率的選擇，零極

4、點的放置等。通過前三個部分的總結(jié)，給出一個反激準諧振變換器的設(shè)計實例，利用Mathcad編寫計算書。5.光耦、輸出LC濾波器對環(huán)路的影響實際設(shè)計中，光耦和輸出LC對環(huán)路的影響常常被我們忽略，在諸多IC的應(yīng)用筆記中也鮮有提及。這部分內(nèi)容試圖分析光耦的寄生參數(shù)對環(huán)路帶寬的限制，輸出LC濾波器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響以及如何避免。附實際的例子：反激-技術(shù)筆記+Mathcad計算+Simplis仿真（控制IC選用的是3843）參考資料：1胡壽松 自動控制原理2華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3Christophe Basso designing Control Loop for Linear and Switch P

5、ower Supplies4Erickson Fundamentals of Power Electonics5張興柱博士演講文稿附學習網(wǎng)站：1.http:/cbasso.pagesperso-orange.fr/Spice.htm Basso的個人主頁2. Ray Ridley的個人主頁3. Doaer大師的空間1.開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖、開環(huán)、閉環(huán)、穩(wěn)定性、系統(tǒng)校正等 1.1開關(guān)電源系統(tǒng)眾所周知，開關(guān)電源是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且是一個高度非線性時變系統(tǒng)。一般而言，涉及到非線性的系統(tǒng)需要通過現(xiàn)代控制理論的方法去研究，不過，基于矩陣變換的現(xiàn)代控制理論雖然模型精確但建模極為復雜，我相信，沒有受

6、過研究生教育的工程師是很難看懂那些艱深晦澀的公式的，反正我是看不懂。而基于傳遞函數(shù)經(jīng)典控制理論雖然模型不夠精確，但是在實際工程應(yīng)用中取得了非常不錯的效果。記得上學的時候，我的控制理論老師告訴我，在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計中，95%以上的自動控制系統(tǒng)都是用經(jīng)典控制理論去分析設(shè)計完成的。所以，以下對開關(guān)電源環(huán)路控制的分析總結(jié)，均不涉及現(xiàn)代控制論（對于矩陣分析，說實話我也是只停留在概念中，雖學過，但無法跟實際應(yīng)用聯(lián)系起來），基于傳遞函數(shù)的經(jīng)典控制論，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，應(yīng)經(jīng)相當成熟，物理概念清晰，而且通俗易懂。我認為，學習環(huán)路控制，要做的第一件事是：在腦海中建立自動控制系統(tǒng)的概念。尤其是反饋控制系統(tǒng)。補充一下

7、傳遞函數(shù)的概念：控制理論中的傳遞函數(shù)（特指線性系統(tǒng)），定義為系統(tǒng)輸出量拉氏變換與系統(tǒng)輸入拉氏變換的之比。開始正題.下圖是一個典型的反饋控制系統(tǒng)的框圖：在反饋控制系統(tǒng)中，控制器對被控對象施加的控制作用是取自被控量（即輸出量）的反饋信息，用來不斷地修正被控量與給定值之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制任務(wù)，這就是反饋控制的原理。（以上出自自動控制原理第一章）。對于一個實際的系統(tǒng)而言，往往伴隨著外界的擾動，則系統(tǒng)的輸出將會受到擾動的影響：開關(guān)電源是一個典型的反饋控制系統(tǒng)，將上圖對應(yīng)到開關(guān)電源：在開關(guān)電源的環(huán)路分析中，通常我們把誤差放大器部分叫做補償電路（Compensation Circuit），

8、把PWM發(fā)生器和功率拓撲（正激、反激、半橋、全橋.）合并叫做功率級（Power Stage），于是有：實際上，我們所說的環(huán)路控制，主要是在補償電路（Compensation Circuit）上下功夫。實際電路，電流模式控制反激變換器為例：對于反激變換器，功率級主要包括控制IC、MOS、變壓器、整流濾波。功率級的功能是執(zhí)行能量的傳輸(即執(zhí)行機構(gòu)和控制對象），在實際設(shè)計中，我們會根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)、輸入輸出電壓范圍、傳輸功率大小、溫升、尺寸等要求，來對功率級各部分元器件參數(shù)進行設(shè)計、選型，一般而言，在特定的約束條件下，功率級的設(shè)計沒有太大的靈活性，經(jīng)驗占有相當大的比重。補償電路（Compensation

9、 Circuit）的功能是將采樣后的輸出電壓與基準電壓（給定值）相比較，并對比較后的偏差信號進行放大，進而去控制功率級傳輸能量的大小，使輸出電壓服從給定值。我們常說的環(huán)路補償設(shè)計，指的就是補償電路（Compensation Circuit）幾個電阻電容參數(shù)的合理選取，在實際設(shè)計中，根據(jù)不同的性能指標要求（如低噪聲、低動態(tài)過沖、快速動態(tài)響應(yīng)等），補償電路（Compensation Circuit）的設(shè)計靈活性非常高。所以，以后的內(nèi)容著重圍繞補償電路（Compensation Circuit）來展開，在此之前，需要闡述一些概念性的東西，為后續(xù)內(nèi)容做鋪墊。1.2 開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng) 概念很基礎(chǔ)，網(wǎng)上一搜

10、一大把，略。值得一提的是，在Fundamental of Power Electronic這本書的Chapter 9，給出了一張看起來相當帥氣的圖： 我覺得，如果能把這張圖看懂，并能夠?qū)懗龊瘮?shù)傳遞關(guān)系，學習環(huán)路基本上就算是入門了。而我希望能夠從這張圖里面挖掘一些“寶藏”，來解釋一些我剛接觸電源時的一些困惑：輸出工頻紋波是怎樣產(chǎn)生的？為何輸出電流增大會導致輸出電壓略微下降（即負載調(diào)整略是如何產(chǎn)生的？）等問題。 對于解釋電路行為，數(shù)學推導能提供最有力的解釋，插一句，我覺得，學習環(huán)路控制，基本的數(shù)學分析能力（Analytical Analysis）很重要，過分地依賴軟件仿真Simulation（如S

11、aber，spice等），非明智之舉，尤其是對初學者。 回到主題，F(xiàn)undamental of Power Electronic提供的那張帥氣的系統(tǒng)框圖，我個人看起來不是特別習慣，改成如下形式：事實上，功率級的三個輸入變量并不是相互獨立的，相互之間存在影響，只是為了簡化分析我們才認為，三個輸入變量各自獨立互不影響。于是，我們就可以采用線性定常系統(tǒng)的分析方法，來分析系統(tǒng)的性能指標。由控制理論的疊加原理，我們可以得到輸出電壓的表達式。由方程3，我們可以得到，輸出直流電壓表達式：由方程4，下面的幾種現(xiàn)象也就很好解釋了：（同時也是開關(guān)電源的穩(wěn)態(tài)指標）為何有線性調(diào)整率為何存在負載調(diào)整率為何輸出有工頻紋波

12、萬用表測量431的vref腳為低于2.5V可以看出，對于開關(guān)電源的穩(wěn)態(tài)指標而言，開環(huán)直流增益T是一個很關(guān)鍵的指標。理想情況下，開環(huán)增益越大越好，如果在開關(guān)電源的環(huán)路上存在積分環(huán)節(jié)，理論上直流增益為無窮大，但是受限于實際元器件的特性（如運放的實際開環(huán)增益），T是有上限的，在后續(xù)的運放、431構(gòu)成的補償電路部分，我們會談到這一點。1.3開關(guān)電源的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能一般而言，我們在最糟糕的條件下設(shè)計一個穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，則其他“不太糟糕”的穩(wěn)定條件自動滿足。比如反激，最糟糕的工作狀態(tài)是低壓輸入滿載（當然由溫度、氣壓、輻射等惡劣條件引起的器件參數(shù)漂移也應(yīng)當考慮在內(nèi)，但這不是我們討論的重點），此時，由于輸入擾

13、動和負載擾動被自動忽略（這兩項為零），則Figure 1.2可以簡化為：Figure1.3給出的框圖就是我們在經(jīng)典控制論中經(jīng)常提到的控制系統(tǒng)框圖，稱之為單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）。我們知道，開關(guān)電源系統(tǒng)是一個典型的高階系統(tǒng)，幾乎在所有控制類的教科書上看到類似的話：在控制工程中，大多數(shù)高階系統(tǒng)的特性在一定條件下可用二階系統(tǒng)的特征來表征。開關(guān)電源系統(tǒng)也不例外（這里是指PWM類變換器，諧振類變換器不在此列），在工程應(yīng)用中也是采用了二階近似的方法（相關(guān)方法介紹可參考 胡壽松自控 3.3節(jié) 4.4節(jié)），這一點已被諸多文獻證實。在階躍信號（對應(yīng)參考基準Vref(s)的作用下：開關(guān)電源系統(tǒng)的評價指標包

14、括穩(wěn)態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標兩部分。穩(wěn)態(tài)性能指標：對于開關(guān)電源而言，穩(wěn)態(tài)性能指標包括輸出電壓精度、負載調(diào)整率、線性調(diào)整率，反映了一個電源系統(tǒng)的控制精度。動態(tài)性能指標：主要包括動態(tài)負載過沖量/下沖量及調(diào)節(jié)恢復時間、開機過沖、啟動時間等。一款動態(tài)性能優(yōu)良的開關(guān)電源，啟動和動態(tài)負載條件下的輸出電壓波形應(yīng)該和Figure1.4大致相同。討論動態(tài)性能，或穩(wěn)態(tài)性能時，我們不要忘記一個前提，就是系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，討論開關(guān)電源的這些指標才有意義。那么，什么情況下，開關(guān)電源系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定呢？就是方程6的分母1+T(s)=0的時候！|T(s)|=1, argT(s)=-180。然后就是我們熟悉的奈奎斯特穩(wěn)定性判

15、據(jù)了：當|T(s)|=1時，開環(huán)傳遞函數(shù)的相移小于180度.Bode圖在工程應(yīng)用中，環(huán)路分析設(shè)計的工具是Bode圖，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法很簡單，可以確切的提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能夠大致衡量閉環(huán)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。正因為如此，Bode圖是開關(guān)電源設(shè)計中的一個重要工具。（此處留白，改天補上，介紹Bode圖的物理意義，如何與開關(guān)電源的環(huán)路分析扯上關(guān)系）Bode圖的繪制（此處留白，改天補上，介紹Mathcad繪制Bode圖）在定性地分析開關(guān)電源系統(tǒng)的性能時，通常將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖分成高、中、低三個頻段。需要說明的是，三個頻段之間的界限只是一個大致范圍，不同參考資

16、料劃定界限的方法不盡相同，當這并不影響對開關(guān)電源性能的定性分析。一個性能良好的開關(guān)電源開環(huán)傳函Bode圖如下圖所示，從它的三個頻段可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包含以下幾個方面：穿越頻率：穿越頻率定義為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線穿越0dB時對應(yīng)的頻率，此時相頻特性曲線對應(yīng)的相角與-180的差值為相角裕度。低頻階段：在Bode圖中，低頻段表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，由上一小節(jié)的分析，可知：低頻增益越大，則負載調(diào)整率、線性調(diào)整率、工頻紋波抑制能力越好，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。中頻階段：中頻段表征系統(tǒng)的動態(tài)性能，為了獲得比較好的動態(tài)性能，一般要求開關(guān)電源在中頻段以-20dB/dec斜率下降。高頻階段高頻段表征

17、開關(guān)電源系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力，高頻段衰減越快越好，一般要求以-40dB/dec下降為佳。開關(guān)電源的設(shè)計目標，就是為了讓系統(tǒng)通過補償校正之后，其開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性向上述指標靠攏。1.4 補償校正 文字描述太羅嗦，繪圖。一款動態(tài)性能優(yōu)良的開關(guān)電源，啟動和動態(tài)負載條件下的輸出電壓波形應(yīng)該和Figure1.4大致相同。在討論動態(tài)性能，或穩(wěn)態(tài)性能時，我們不要忘記一個前提，就是系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，討論開關(guān)電源的這些指標才有意義。那么，什么情況下，開關(guān)電源系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定呢？就是方程6的分母1+T(s)=0的時候！|T(s)|=1, argT(s)=-180。然后就是我們熟悉的奈奎斯特穩(wěn)定性判

18、據(jù)了：當|T(s)|=1時，開環(huán)傳遞函數(shù)的相移小于180度.Bode圖在工程應(yīng)用中，環(huán)路分析設(shè)計的工具是Bode圖，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法很簡單，可以確切的提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能夠大致衡量閉環(huán)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。正因為如此，Bode圖是開關(guān)電源設(shè)計中的一個重要工具。（此處留白，改天補上，介紹Bode圖的物理意義，如何與開關(guān)電源的環(huán)路分析扯上關(guān)系）Bode圖的繪制（此處留白，改天補上，介紹Mathcad繪制Bode圖）在定性地分析開關(guān)電源系統(tǒng)的性能時，通常將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖分成高、中、低三個頻段。需要說明的是，三個頻段之間的界限只是一個大致范圍，不同參考資

19、料劃定界限的方法不盡相同，當這并不影響對開關(guān)電源性能的定性分析。一個性能良好的開關(guān)電源開環(huán)傳函Bode圖如下圖所示，從它的三個頻段可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包含以下幾個方面：穿越頻率：穿越頻率定義為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線穿越0dB時對應(yīng)的頻率，此時相頻特性曲線對應(yīng)的相角與-180的差值為相角裕度。低頻階段：在Bode圖中，低頻段表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，由上一小節(jié)的分析，可知：低頻增益越大，則負載調(diào)整率、線性調(diào)整率、工頻紋波抑制能力越好，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。中頻階段：中頻段表征系統(tǒng)的動態(tài)性能，為了獲得比較好的動態(tài)性能，一般要求開關(guān)電源在中頻段以-20dB/dec斜率下降。高頻階段高頻段表征

20、開關(guān)電源系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力，高頻段衰減越快越好，一般要求以-40dB/dec下降為佳。開關(guān)電源的設(shè)計目標，就是為了讓系統(tǒng)通過補償校正之后，其開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性向上述指標靠攏。1.4 補償校正文字描述太羅嗦，繪圖。文字描述太羅嗦，繪圖。 概括一下，對我們大多數(shù)搞應(yīng)用的工程師而言，所謂的開關(guān)電源環(huán)路補償控制，就是在考察功率級（Power Stage）傳函特性（用Bode圖表征）的基礎(chǔ)上，選擇合適的校正補償網(wǎng)絡(luò)，如I、II、III型，然后計算補償網(wǎng)絡(luò)幾個電阻電容參數(shù)的值，以達到我們想要的輸出動態(tài)響應(yīng)，就這么點事兒，不必把它看得那么玄乎。所以，接下來就開始總結(jié)常見功率級拓撲的傳函特性

21、，在此基礎(chǔ)上，講補償。2.常見的PFC、DC-DC功率級傳函特性，以及對應(yīng)的環(huán)路控制策略 As time goes on, new technologies and new components will be developed，and also the choice of our power solution may shift from one approach to the other，but some basic methodologyportrayed in some classical paperswill remain applicable and give us an eff

22、ective guidance todesign our power supplies, here, I collect some reference or website link ralated to this topic, and I will update itcontinuouslyin the future.ONsemi PFC handbook: Buckboost變換器的DCM小信號傳遞函數(shù).pdfBuckboost變換器在峰值電流控制下的CCM小信號傳遞函數(shù).pdf電壓型推挽變換器的CCM穩(wěn)態(tài)關(guān)系.pdf電壓型推挽變換器與Buck變換器的關(guān)系 .pdf.2.1 電源系統(tǒng)架構(gòu)及

23、開關(guān)電源的控制方式 借用Dr. Bo Yang和Dr. Bing Lu論文中的一張分布式電源系統(tǒng)（DPS，Distribute Power Systerm）示意圖： 大到通信電源管理系統(tǒng)，小到手機、筆記本電源管理系統(tǒng)，都可以理解為DPS架構(gòu)的一種體現(xiàn)。隨著功率等級不同，DPS的復雜度也有所不同。但歸根到底，開關(guān)電源的設(shè)計包括兩點：PFC Converter，DC-DC Converter（包括隔離、非隔離）。 從實現(xiàn)方式來看（功率級Power Stage）： 最常見的PFC采用Boost、單級. 最常見的DC-DC：（非隔離）Buck、Boost、Buck-Boost；（隔離）Flyback、

24、正激、半橋、全橋、推挽. 常見的開關(guān)電源的功率級拓撲只有三種： 無論是PFC，還是DC-DC，從傳函特性來區(qū)分，本質(zhì)上功率級拓撲只有三種：（這里是指PWM類變換器，不包括諧振類變換器） Buck類：正激，半橋，全橋，推挽 Boost類：升壓DC-DC，PFC Buck-Boost類：反激前文提到，開關(guān)電源的功率級包括三個獨立的變量：控制信號，負載電流，輸入電壓，由最優(yōu)控制論，可知：如果對三個變量同時監(jiān)控（分別監(jiān)控輸出電壓、輸出電流和輸入電壓），就能夠?qū)﹂_關(guān)電源做到最優(yōu)控制。但是監(jiān)控的變量越多，設(shè)計控制器的難度就越高，甚至純模擬電路難以實現(xiàn)。在目前的模擬控制IC方案中，還沒有見到過這樣的成功案例，我們見到最多的是監(jiān)控功率級的一個或兩個輸入變量。如：電壓模式（V