開關(guān)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(diào)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(diào)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(diào)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(jīng)過一個長的調(diào)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(diào)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(guān)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(guān)電源中，開關(guān)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(guān)頻率的一半，否則，開關(guān)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(diào)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(guān)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(quán)衡。

　　4. 實際設計分析舉例

　　用經(jīng)典環(huán)路控制分析方法，開關(guān)調(diào)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(guān)電源電路圖。

　　首先，輸出電壓被反饋網(wǎng)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(chǎn)生一個誤差電壓信號。脈寬調(diào)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(zhuǎn)化為合適的占空比去控制輸出部分功率脈沖調(diào)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(wǎng)絡H(s)

　　反饋網(wǎng)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(diào)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(zhuǎn)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(wǎng)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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