2022年环路相位开关电源稳定性设计方案.docx

精品学习资源环路相位 - 开关电源稳固性设计专业技术环路相位 - 开关电源稳固性设计摘要：环路 , 相位, 增益, 负载, 开关电源 , 稳固性, 电压, 相移, 电源, 频率,信号接收机 - 基于单芯片的 GPS接收机硬件设计白光调光 - 白光和彩色光智能照明系统解决方案设备方案- 台达 UPS在中小企业中的创新应用方案触摸屏电容 - 电容式触摸屏系统解决方案测量肺活量 - 利用高性能模拟器件简化便携式医疗设备设计测量温度 - 热敏电阻 NTC>的基本参数及其应用动能产品- 动能电子企业文化活动丰富员工生活电路板镀锡 - 无锡华文默克发布 PCB/SMT工艺方案引擎电压 - 采纳接近传感器的火花探测器太阳能掌握器 - 太阳能 LED街灯的挑战及安森美半导体高能效解决方案众所周知，任何闭环系统在增益为 单位增益 l ，且内部随频率变化的相移为 360°时，该闭环掌握系统都会存在不稳固的可能性；因此几乎全部的开关电源都有一个闭环反馈掌握系统，从而能获得较好的性能；在负反馈系统中，掌握放大器的连接方式有意地引入了 180°相移，假如反馈众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l ，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环掌握系统都会存在不稳固的可能性；因此几乎全部的开关电源都有一个闭环反馈掌握系统，从而能获得较好的性能；在负反馈系统中，掌握放大器的连接方式有意地引入了180°相移，假如反馈的相位保持在180°以内，那么掌握环路将总是稳固的；当然，在现实中这种情形是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，假如不采纳适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定；1 稳固性指标 衡量开关电源稳固性的指标是相位裕度和增益裕度；相位裕度是指：增益降到 0dB 时所对应的相位；增益裕度是指：相位为-180 度时所对应的增益大小 实际是衰减 >；在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度；在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时显现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍旧可以保证系统稳固；相位裕度只能用来保证“小信号稳固”；在负载阶跃变化时，电源不行防止要进入“大信号稳固”范畴；工程中我们认为在室温顺标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°；在各种参数变化和误差情形下，这个相位裕度足以确保系统稳固；假如负载变化或者输入电压范畴变化特别大，考虑在全部负载和输入电压下环路和相位裕度应大于 30°； 如图 l 所示为开关电源掌握方框示意图，开关电源掌握环路由以下3欢迎下载精品学习资源部分构成；1> 功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；2> 脉冲宽度调剂部分，主要包含 PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大；3> 采样、掌握比较放大部分，主要包含输出 电压采样、比较、放大 如 TL431>、误差放大传输 如光电耦合器 >和 PWM集成电路内部集成的电压比较器 这些放大器的补偿设计最大程度的打算着开关电源系统稳固性，是设计的重点和难点>；2 稳固性分析 如图 1 所示，假如在节点 A处引入干扰波；此方波所包含的能量安排成无限列奇次谐波重量；假如检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，就可以看出增益和相移也随着频率的增加而转变；假如在某一频率下增益等于l 且总的额外相移为 180° 此相移加上原先设定的 180°相移， 总相移量为 360°>，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维护下去，系统在此频率下振荡；如图2 所示，通常情形下，掌握放大器都会采纳反馈补偿元器件Z2欢迎下载精品学习资源削减更高频率下的增益，使得开关电源在全部频率下都保持稳固；波特图对应于小信号 理论上的小信号是无限小的 >扰动时系统的响应；但是假如扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分打算的，而可能是由非线性部分打算的，如运放的压摆率、增益带 宽或者电路中可能达到的最小、最大占空比等；当这些因素影响系统响应时，原先的系统就会表现为 非线性，而且传递函数的方法就不能连续使用了；因此，虽然小信号稳固是必需满意的，但仍不足以 保证电源的稳固工作；因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，仍要处 理好电源系统的大信号响应特性；电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输 入电压跃变响应特性来判定，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，就输入电压跃变响应特性肯定好；对开关电源环路稳固性判据的理论分析是很复杂的，这是由于传递函数随着负载条件的转变而转变；各种不同线绕功率元器件的有效电感值通常会随 着负载电流而转变；此外，在考虑大信号瞬态的情形下，掌握电路工作方式转变为非线性工作方式， 此时仅用线性分析将无法得到完整的状态描述；下面具体介绍通过对负载跃变瞬态响应波形分析来判断开关电源环路稳固性；3 稳固性测试 测试条件： 1> 无感电阻； 2> 负载变化幅度为 10100； 3> 负载开关频率可调 在获得同样抱负响应波形的条件下，开关频率越高越好>； 4> 限定负载开关电流变化率为 5A s 或者 2A/ s，没有声明负载电流大小和变化率的瞬态响应曲线图形无任何意义；图 3a>为瞬变负载波形； 图 3b> 为阻尼响应，掌握环在瞬变边缘之后带有振荡；说明拥有这种响应电源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定条件下才能稳固；因此，要尽量防止这种类型的响应，补偿网络也欢迎下载精品学习资源应当调整在稍低的频率下滑离；图 3c> 为过阻尼响应，虽然比较稳固，但是瞬态复原性能并非最好；滑离频率应当增大；图3d> 为抱负响应波形，接近最优情形，在绝大多数应用中，瞬态响应稳固且性能优良，增益裕度和相位裕度充分； 对于正向和负向尖峰，对称的波形是同样需要的，因此从它可以看出掌握部分和电源部分在掌握内有中心线，且在负载的增大和削减的情形下它们的摇摆速率是相同的；上面介绍了开关电源掌握环路的两个稳固性判据，就是通过波特图判定小信号下开关电源掌握环路的相位裕度和通过负载跃变瞬态响应波形判定大信号下开关电源掌握环路的稳固性；下面介绍四种掌握环路稳固性的设计方法；4 稳固性设计方法 4 1 分析法 依据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析 运算机仿真 >；实际上进行总体分析时，要求全部的参数要精确地等于规定值是不大可能的，特别是电感值，在整个电流变化范畴内，电感值不行能保持常数；同样，能转变系统线性工作的较大瞬态响应也是很难预料到的； 4 2 摸索法 第一测量好脉宽调整器和功率变换器部分的传递特性，然后用“差分技术”来确定补偿掌握放大器所必需具有的特性；要想使实际的放大器完全满意最优特性是不大可能的，主要的欢迎下载精品学习资源目标是实现尽可能地接近；具体步骤如下：1> 找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率四周处引入零点，那么在直到等于穿越频率的范畴内相移小于315° 相位裕度至少为45°>； 2> 找到开环曲线中 EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率四周处引入极点 否就这些零点将使增益特性变平，且不能依据期望下降>； 3> 假如低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以提高低频下的增益；大多数情形下，需要进行“微调”，最好的方法是采 用瞬态负载测量法； 4. 3经.掌握环路采纳具有低频主导极点的过补偿掌握放大器组成闭环来获得初始稳固性；然后采纳瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效；其缺点是无 法确定性能的最优； 4 4 运算和测量结合方法 综合以上三点，主要取决于设计人员的技能和体会；对于用上述方法设计完成的电源可以用以下方法测量闭环开关电源系统的波特图，测量步骤如下；如图 4 所示为测量闭环电源系统波特图的增益和相位时采纳的一个常用方法，此方法的特点是无需改动原线路；如图 4 所示，振荡器通过变压器T1 引入一个很小的串联型电压 V3 至环路；流入掌握放大器的有效沟通电压由电压表 V1 测量，输出端的沟通电压就由电压表V2 测量 电容器 C1 和 C2 起隔直流电流的作用>；V2/V1 以分贝形式 >为系统的电压增益；相位差就是整个环路的相移 在考虑到固定的 180°负反馈反相位之后 >； 输入信号电平必需足够小，以使全部掌握环路都在其正常的线性范畴内工作；4 5 测量设备 波特图的测量设备如下： 1> 一个可调频率的振荡器V3，频率范畴从 10Hz或更低 >到50kHz或更高 >； 2> 两个窄带且可挑选显示峰值或有效值的电压表V1 和 V2，其适用频率与振荡器频率范畴相同； 3> 专业的增益及相位测量外表；测试点的挑选：理论上讲，可以在环路的任意点上进 行伯特图测量，但是，为了获得好的测量度，信号注入节点的挑选时必需兼顾两点：电源阻抗较低且下一级的输入阻抗较高；而且，必需有一个单一的信号通道；实践中，一般可把测量变压器接入到图 4或图 5 掌握环路中接入测量变压器的位置； 图 4 中 T1 的位置满意了上述的标准；电源阻抗 在信号注入的方向上 >是电源部分的低输出阻抗，而下一级的输入阻抗是掌握放大器 A1 的高输入阻抗；图 5 中信号注入的其次个位置也同样满意这一标准，它位于图 5 中低输出的放大器 A1 和高输入阻抗的脉宽调欢迎下载精品学习资源制器之间；5 正确拓扑结构无论是国外仍是国内 DCDC电源线路的设计，就隔离方式来讲都可归结为两种 最基本的形式：前置启动 +前置 PWM掌握和后置隔离启动 +后置 PWM掌握；具体结构框图如图 6 和图 7所示；国内外 DC DC电源设计大多采纳前置启动 +前置 PWM掌握方式，后级以开关形式将采样比较的误 差信号通过光电耦合器件隔离传输到前级PWM电路进行脉冲宽度的调剂，进而实现整体DC DC电源稳压掌握；如图 6 所示，前置启动 +前置 PWM掌握方式框图所示，输出电压的稳固过程是：输出误差采样比较放大光隔离传输 PWM电路误差比较 PWM调宽输出稳压； Interpoint公司的 MHF+系列、SMHF系列、 MSA系列、 MHV系列等等产品都属于此种掌握方式；此类拓扑结构电源产品就环路稳固性补偿设计主要集中在如下各部分：1> 以集成电路 U2 为核心的采样、比较电路的环路补偿设计； 2> 以前置 PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；3> 输出滤波器设计主要考虑输出电压电流特性，在隔离式电源环路稳固性补偿设计时仅供参考；4> 其它部分如功率管驱动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳固性补偿设计时可以不必考虑；而如图 7 所示，后置隔离启动 +后置欢迎下载精品学习资源PWM掌握方式框图，输出电压的稳固过程是：输出误差采样PWM电路误差比较 PWM调宽隔离驱动输出稳压；此类拓扑结构电源产品就环路稳固性补偿设计主要集中在如下各部分：1> 以后置 PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；2> 输出滤波器设计主要考虑输出电压电流特性，在隔离式电源环路稳固性补偿设计时仅供参考；3> 其它部分如隔离启动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳固性补偿设计时可以不必考虑；比较图 6 和图 7 掌握方式和环路稳固性补偿设计可知，图 7 后置隔离启动 +后置 PWM掌握方式的优点如下： 1> 削减了后级采样、比较、放大和光电耦 合，掌握环路简捷； 2> 只需对后置 PWM集成电路内部电压比较器进行环路补偿设计，掌握环路的响 应频率较宽； 3> 相位裕度大； 4> 负载瞬态特性好； 5> 输入瞬态特性好； 6> 抗辐照才能强；试验证明光电耦合器件即使进行了抗辐照加固其抗辐照总剂量也不会大于2x104RadSi>，不适合航天电源高牢靠、长寿命的应用要求；6 结语 开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题； 二是稳固性设计，重点解决的是输出电压的品质问题；开关电源稳固性设计的好坏直接打算着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳固性、生产和调试难易度；将上述开关电源稳固性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍；欢迎下载