開關電源控制環(huán)路如何設計

　　設計任何控制系統(tǒng)首先必須清楚地定義出目標。通常，這個目標是建立一個簡單的博得圖以達到最好的系統(tǒng)動態(tài)響應，最緊密的線性和負載調節(jié)率和最好的穩(wěn)定性。理想的閉環(huán)博得圖應該包含三個特性：足夠的相位裕量，寬的帶寬，和高增益。高的相位裕量能阻尼振蕩并縮短瞬態(tài)調節(jié)時間。寬的帶寬允許電源系統(tǒng)快速響應線性和負載的突變。高的增益保證良好的線性和負載調節(jié)率。

　　3.1 相位裕量

　　參看圖4，相位裕量是在穿越頻率處相位高于0度的數(shù)量。這不同于大多數(shù)控制系統(tǒng)教科書里提出的從-180度開始測量相位裕量。其中包括DC負反饋所提供的180度初始相移。在實際測量中，這180度相移在DC處被補償并允許相位裕量從0度開始測量。

　　根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，當系統(tǒng)的相位裕量大于0度時，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。然而，有一個邊界穩(wěn)定區(qū)域存在，此處(指邊界穩(wěn)定區(qū)，譯注)，系統(tǒng)由于瞬態(tài)響應引起振蕩到經過一個長的調節(jié)時間最終穩(wěn)定下來。如果相位裕量小于45度，則系統(tǒng)在邊界穩(wěn)定。當相位裕量超過45度時，能提供最好的動態(tài)響應，短的調節(jié)時間和最少過沖。

　　3.2 增益帶寬

　　增益帶寬是指單位增益時的頻率，見圖4，增益帶寬就是穿越頻率Fcs。最大穿越頻率的主要限制因素是電源的開關頻率。根據(jù)采樣定理，如果采樣頻率小于2倍信號頻率(更嚴謹一點的說法是應該小于2倍最大信號頻率，譯注)，則被采樣的信息就不能被完全讀取。

　　在開關電源中，開關頻率可以從輸出紋波中看得出來，它是錯誤的信息，并且必須不被控制環(huán)路所傳遞。

　　因此，系統(tǒng)的穿越頻率必須小于開關頻率的一半，否則，開關噪聲和紋波會扭曲輸出電壓中想要得到的信息，并導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　3.3 增益

　　高的系統(tǒng)增益對于保證好的線性和負載調節(jié)率提供重要貢獻。它能夠使PWM比較器在響應輸入輸出電壓的變化時精確地改變電源開關的占空比，通常，需要在決定高增益和低相位裕量之間做出權衡。

　　4. 實際設計分析舉例

　　用經典環(huán)路控制分析方法，開關調整器的控制環(huán)分為四個主要部分：輸出濾波器，PWM電路，誤差放大器補償和反饋。圖5用方塊圖舉例說明這四部分，圖6舉例說明一個開關電源電路圖。

　　首先，輸出電壓被反饋網絡降壓，然后把這個反饋電壓送入誤差放大器，使之與基準電壓相比較而產生一個誤差電壓信號。脈寬調制部分拾取這個誤差電壓并且把它與功率變壓器的電流相比較并轉化為合適的占空比去控制輸出部分功率脈沖調制的數(shù)量。輸出濾波器部分使來自于功率變壓器的斬波電壓或電流平滑，使反饋控制環(huán)完善。下面確定每一部分的增益和相位，并把他們聯(lián)合起來形成系統(tǒng)的傳輸函數(shù)和系統(tǒng)的增益相位點。

　　4.1 反饋網絡H(s)

　　反饋網絡把輸出電壓降到誤差放大器參考電壓的水平，其傳輸式按簡單的電阻分壓式得到：

　　4.2 輸出濾波部分G1(S)

　　在電流模式控制系統(tǒng)中，輸出電流被調節(jié)以達到目標的輸出電壓。輸出濾波部分把脈動的輸出電流轉換為目標輸出電壓。小信號分析得到：輸出電容的ESR和反饋網絡的電阻(R1+R2=RFB)反映出輸出濾波器傳輸函數(shù)的特性。圖7的電路分析給出ESR和RSENSE的影響。

　　傳輸函數(shù)G1(S)給出RFB的初始低頻增益。這個增益在fPOLE=1/2*π*(RFB+ESR)*C處開始滾降，并在fZERO=1/2*π*ESR*C變?yōu)樗?。G1(S)的博得圖見圖8。

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