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控制環(huán)路設(shè)計(jì)——反激篇

發(fā)布時(shí)間：2021-07-27 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】說到環(huán)路，我相信對(duì)于電源工程師來說都是個(gè)頭疼的問題。經(jīng)常會(huì)有初學(xué)者在設(shè)計(jì)一款電源后，調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)波形雜亂，還伴隨著花里胡哨的震蕩，但又無從下手。因?yàn)榄h(huán)路理論涉及的知識(shí)比較廣，確實(shí)不是看一篇兩篇文章就能搞懂的，因此我計(jì)劃開設(shè)一個(gè)小專題，專門來研究環(huán)路。

說到環(huán)路，我相信對(duì)于電源工程師來說都是個(gè)頭疼的問題。經(jīng)常會(huì)有初學(xué)者在設(shè)計(jì)一款電源后，調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)波形雜亂，還伴隨著花里胡哨的震蕩，但又無從下手。因?yàn)榄h(huán)路理論涉及的知識(shí)比較廣，確實(shí)不是看一篇兩篇文章就能搞懂的，因此我計(jì)劃開設(shè)一個(gè)小專題，專門來研究環(huán)路。我們不從繁瑣的理論知識(shí)去學(xué)習(xí)和認(rèn)知環(huán)路，而是通過一個(gè)實(shí)際案例來分析關(guān)于環(huán)路的方方面面，碰到環(huán)路問題就想解決辦法。希望大家都能有所收獲。

開篇，我舉一個(gè)開關(guān)電源調(diào)試過程中會(huì)碰到的一個(gè)常見的問題：

我們?cè)谡{(diào)試的時(shí)候，可能會(huì)遇到波形劇烈抖動(dòng)，且無規(guī)律，可能還伴隨著大小波的情況。遇到這種現(xiàn)象那么我們就要考慮是不是我們的環(huán)路設(shè)計(jì)出現(xiàn)了問題。

一、反激介紹——穩(wěn)壓電源是如何工作的？

從圖中我們可以看出，一個(gè)開關(guān)電源是有功率級(jí)+調(diào)制器+補(bǔ)償器組成的。我們前面有分析過反激變換器的工作原理以及計(jì)算，在這里進(jìn)行一個(gè)小總結(jié)：

1、Vout 每時(shí)每刻參考 Vref 進(jìn)行比較以獲得誤差 ?= Vref –k*Vout 。

2、誤差補(bǔ)償?shù)玫娇刂菩盘?hào)。

3、調(diào)制器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)移到 PWM。

4、功率級(jí)做出反應(yīng)以盡可能地減小 ?。

經(jīng)過上述過程，我們就能理解反激變換器在閉環(huán)控制時(shí)的工作過程。

那么，客戶想要一個(gè)啥樣的電源呢？

1、穩(wěn)定--無論負(fù)載、輸入、溫度和其他條件如何。

2、精準(zhǔn)--輸出就是我們想要的。

3、快速--對(duì)任何傳入擾動(dòng)（例如負(fù)載瞬變）的快速反應(yīng)。

一、反激穩(wěn)態(tài)——什么是極點(diǎn)、零點(diǎn)和bode圖？

概念我就不在這里啰嗦了，后續(xù)我們會(huì)逐一討論。先來看看，對(duì)于一個(gè)電路開環(huán)的傳遞函數(shù)是啥樣的？

求解 N(s)=0 得到零，求解 D(s)=0 得到極點(diǎn)。舉個(gè)例子：

我們分別令分子、分母＝0，可以得到：

根據(jù)以上式子我們可以畫出響應(yīng)的bode圖，也就是增益和相位：

實(shí)際中，我們得到的不是這種圖像，而是平滑曲線。

了解了相關(guān)傳遞函數(shù)，我們就來分析震蕩是怎么產(chǎn)生的，我們?nèi)绾稳ケ苊庹鹗帲?/div>

我們先來看看反激的閉環(huán)系統(tǒng)是長啥樣的？

前面我們小結(jié)了一波反激變換器的閉環(huán)工作方式，我們?cè)谶@里直接用方框圖來說明。K：反饋，G（s）：補(bǔ)償，F(xiàn)（s）：PWM控制器，H（s）：功率級(jí)。由此我們可以寫出，該閉環(huán)控制環(huán)路的傳遞函數(shù)：

從中我們可以看到，KG（s）F（s）H（s）是一個(gè)開環(huán)的傳遞函數(shù)，如果出現(xiàn)分母為零，那么該等式就無解，也就是說系統(tǒng)永遠(yuǎn)也不會(huì)穩(wěn)定，就會(huì)出現(xiàn)自激振蕩的現(xiàn)象：

但是，一般我們實(shí)際測(cè)試過程中，用的最多的是環(huán)路分析儀，這些等式只是在理論分析的過程中才會(huì)用到，那么實(shí)際我們通過環(huán)路分析儀測(cè)試出來的bode圖如何去判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定呢？

我們首先要了解，環(huán)路分析儀出來后，有一個(gè)相位phase和一個(gè)增益gain，我們?cè)趺慈タ础?/div>

一般而言，測(cè)試出來橫坐標(biāo)都是頻率的十倍頻，雙坐標(biāo)系中有dB單位的是對(duì)應(yīng)的增益，以多少°對(duì)應(yīng)的是相位。從圖中我們可以得到啥呢？首先是增益的過零點(diǎn)處，所對(duì)應(yīng)的的橫坐標(biāo)我們叫穿越頻率，增益過零點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的相位與180°的差值的絕對(duì)值為相位裕度，相位過180°處所對(duì)應(yīng)的增益與0dB的差值的絕對(duì)值是增益余量。

知道這寫bode圖上的信息后，我們還需要了解這些穿越頻率、相位裕度、增益余量到低多少合適？

對(duì)于增益余量，我們希望每個(gè)周期的單次噪聲都可以衰減到1/4，即：