環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

1、2012/11/15撰寫(xiě)人 | 陳峰科士達(dá)環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)目錄1、零極點(diǎn)概念32、穿越頻率、相位裕度、增益裕度的概念43、環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)54、反饋環(huán)路的小信號(hào)分析65、30W反激電源的環(huán)路設(shè)計(jì)86、調(diào)整環(huán)路參數(shù)以使系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性判據(jù)111、零極點(diǎn)概念2、穿越頻率、相位裕度、增益裕度的概念穿越頻率：增益曲線穿越0dB線時(shí)的頻率相位裕度：相位曲線在穿越頻率處的相位和-180度之間的相位差，由于是與-180度比較，一般我們計(jì)算時(shí)就在相位+180度作為相位裕度。增益裕度：增益裕度是在相位曲線達(dá)到-180度的頻率處所對(duì)應(yīng)的增益下圖是環(huán)路分析儀器的參數(shù)：由于測(cè)試儀通過(guò)已在測(cè)試過(guò)程中添加了180度相移，因此

2、：其相位已為m+180，可以直接讀出其相位裕度和增益裕度。3、環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)必須達(dá)到：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)有大于30度的相位裕度 大于6dB的增益裕量可以實(shí)現(xiàn)：在穿越頻率附近為-20dB的增益斜率 相位裕度最好能實(shí)現(xiàn)在40-70度之間。 相位裕度與增益裕度既有在不同輸入條件與器件差異條件下使系統(tǒng)自動(dòng)滿(mǎn)足穩(wěn)定條件的因素外，相位裕度還有動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的要求。 我們學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理時(shí)，以常見(jiàn)的二階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)如下所示：GS=Wn2s2+2*Wn+Wn2 其中稱(chēng)為阻尼系數(shù)； 當(dāng)0<<1 時(shí)，其處于欠阻尼狀態(tài)，=1時(shí)，處于臨界阻尼狀態(tài)，>1, 處于過(guò)阻尼狀態(tài)，Q是品質(zhì)因子，其與的關(guān)系為：

3、 Q=12 在控制理論里，一般將系統(tǒng)設(shè)計(jì)在欠阻尼狀態(tài)，取值之間； 此時(shí)Q取值； 我們也可以從下圖看出，其單位階躍響應(yīng)如左圖所示，從上升時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)判斷，也是Q取值在這個(gè)范圍內(nèi)較好，對(duì)應(yīng)于-4dB-1.6dB，此時(shí)相位裕度為40-70度之間。因此：我們最好將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的增益裕量在40-70度之間。 4、反饋環(huán)路的小信號(hào)分析 反饋環(huán)電路如下圖左圖所示，我們對(duì)反饋環(huán)電路進(jìn)行小信號(hào)等效分析，而在小信號(hào)等效分析中，所關(guān)心的是變化量，因此在回路中，任何的恒壓源可認(rèn)為是交流短路，恒流源等效開(kāi)路，恒定不變的電流在電路中不考慮，得到的電路圖如右圖所示：那么VCOMP與+12V之間的傳遞函數(shù)可以得出：G

4、_FB =VCOMP+12V 注：其中CMR是光耦的光電傳輸比，其它從環(huán)路傳遞函數(shù)初步得出的結(jié)論：1）從環(huán)路參數(shù)來(lái)看，輸出電壓采樣的下拉電阻不在環(huán)路傳遞函數(shù)中，只是下拉電阻不同時(shí)會(huì)使得采樣電阻的上端電阻參數(shù)不同，從而影響環(huán)路，因此對(duì)于同功率更改不同輸出電壓時(shí)，最好更改采樣電阻的下拉電阻，這樣環(huán)路參數(shù)調(diào)整比較少。 5、30W反激電源的環(huán)路設(shè)計(jì)根據(jù)30W DCDC電源來(lái)設(shè)計(jì)：參數(shù)條件： 輸入電壓：20-30v，額定24v輸出電壓：12v/2.5A,對(duì)應(yīng)負(fù)載5.8 ；最少1A，對(duì)應(yīng)負(fù)載12；由于本文中反激小信號(hào)模型是建立在CCM模式上的，所以以BCM模式時(shí)的負(fù)載作為最少負(fù)載。效率：0.8初級(jí)電感量：

5、18uH初級(jí)匝數(shù)：8次級(jí)匝數(shù)：8輸出濾波電容1：11m/1000uF共模電感差模分量：20uH輸出濾波電容2: 70 m/470uF開(kāi)關(guān)頻率：65KHZ電流采樣電阻：0.11占空比Dmax=0.4；電流型CCM模式反激功率級(jí)的小信號(hào)模型為：設(shè)計(jì)步驟：1）確定穿越頻率其右半平面零點(diǎn)：輸出差模電感與電容的極點(diǎn)頻率：考慮開(kāi)關(guān)頻率：65KHZ，從上面可以看出：右半平面零點(diǎn)頻率較高，對(duì)環(huán)路的影響可以忽略；但輸出共模電感的差模分量較大，-40dB的極點(diǎn)若與穿越頻率之前，則影響穩(wěn)定性；這里選擇穿越頻率：1KHZ2） 確定功率級(jí)的直流增益：3） 確定功率級(jí)最低極點(diǎn)位置，BCM模式時(shí)負(fù)載的極點(diǎn)位置： 4） 確定

6、在穿越頻率處，欲使功率級(jí)增益提升到0dB, 補(bǔ)償放大器應(yīng)該有的增益；Fc=1000，在第一個(gè)極點(diǎn)以-20dB的斜率衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)穿越頻率時(shí)整個(gè)增益已衰減X1，為了使系統(tǒng)能在穿越頻率時(shí)增益為1，也就是0 dB，因此：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益應(yīng)該為X1-功率級(jí)的增益。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益5）設(shè)計(jì)參數(shù)為了考慮普適性，在這里主要是針對(duì)R10,C11,C37的參數(shù)設(shè)計(jì)，其它的參數(shù)已通過(guò)其它的方式已確定。并設(shè)定 零點(diǎn)位置Fz=Fc/3=330; FZ=1/2*PI*R10*C37 極點(diǎn)位置Fp=3* Fc=3000 FP=1/2*PI*R10*C11由于FC<<FP,則分母的根號(hào)部分=1，而FC>>

7、Fz, 則分子的根號(hào)部分=FC/fz假設(shè)C37>>C11, C11+C37C37; FZ=1/2*PI*R10*C37CMR=1.3;A_GFB=A_EA;R10=164k取值R10=150KC37可以根據(jù)零點(diǎn)位置=3.3nFC11可以根據(jù)極點(diǎn)位置=390PF 6、調(diào)整環(huán)路參數(shù)以使系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性判據(jù) 對(duì)于我們30WDCDC電源來(lái)說(shuō)，由于光耦次級(jí)的上拉電阻在很多芯片中都內(nèi)置于IC中，雖然我們的IC需要外置，但是考慮通用性，因此，我們主要通過(guò)更改R15，R10，C37，C11來(lái)更改其環(huán)路；測(cè)試其環(huán)路后分析其對(duì)環(huán)路的影響。參數(shù)相位裕量增益裕量穿越頻率改變R10 ；C37=47n, C11

8、=4.7nR15=1KR10=240K35.8-7.9792.7R10=110K44.7-7.8798.3R10=70K52.1-7.9778.8R10=50K59.0-7.7740總結(jié)：增大R10，從環(huán)路傳遞函數(shù)來(lái)看，是將零極點(diǎn)均前移；從實(shí)際測(cè)量來(lái)看在其它參數(shù)不變化的情況下，減少R10，能大幅度提高環(huán)路的相位裕量，略減少環(huán)路的穿越頻率，不影響增益裕量。因此：在相位裕量不夠時(shí)，增益裕量足夠時(shí)，調(diào)整R10是比較合適的選擇。改變C11；C37=47n, R10=240kR15=1KC11=47235.8-7.9792.7C11=57238.8-9.3696C11=67240.6-9.7648.7C

9、11=87243.8-10.4570結(jié)論：改變C11，實(shí)際上就是改變極點(diǎn)的位置，增大C11，極點(diǎn)前移，這是犧牲穿越頻率也就是帶寬來(lái)達(dá)到提高相位裕度與增益裕度的目的，從我們測(cè)試來(lái)看，增大C11，相位裕度與增益裕度都有較大的提高。一般情況下，不采用這種方式。但是應(yīng)最低保證C37要遠(yuǎn)大于5倍C11，否則動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試會(huì)有問(wèn)題。改變R15；C37=47n, R10=240kC11=4.7nR15=1K36.5-6.7865R15=1.2K35.3-8.2774R15=1.4K36.5-9.4724結(jié)論: 改變R15主要是改變?cè)鲆妫瑥臏y(cè)試結(jié)果來(lái)看，增大R15，能提高增益裕度，對(duì)相位裕度無(wú)改變，同時(shí)會(huì)減少帶寬。改變C37R10=100kC11=4.7nR15=1.2kC37=10345.9-8.0799.5C37=22346.4-7.8798.7C37=47346.7-8.0778.8C37=10447.2-7.9792C37=47445.4-8.2793結(jié)論: 單獨(dú)改變