【电源设计】14控制与环路设计

本文主要介绍了开关电源环路设计的基础知识,包括稳定性判断、影响因素及环路基本概念等,并详细阐述了环路设计方法,如零极点放置法和K因子法,最后通过电压控制型降压转换器实例进行对比分析。

0.前言

  • 本章主要是大概了解一下开关电源控制与环路设计。

1.开关电源环路基础知识

1.1稳定性判断

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1.2稳定性影响因素

  • 拓扑结构
  • 开关频率
  • 外围元器件

1.3环路基本概念

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1.4稳定性分析判据

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1.5环路带宽的影响

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1.6相位裕度的影响

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1.7增益裕度的影响

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2开关电源环路设计方法

2.1常见补偿电路形式

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2.2外置补偿电路通用设计方法

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2.3功率级特性分析

直流直流变换器小信号模型的建模思路:
• 基本建模法
• 状态空间法
• 三端子网络等效法

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2.4环路要求分析

环路要求:
• 负载电流最大最快变化范围下的输出电压跌落/上升幅值要求→ 带宽;
• 负载电流瞬态下恢复情况→ 相位裕量
• …

2.5补偿电路分析

  • 零极点放置法。这种方法建立在比较准确的功率级传递函数的分析基础上,需要对开关电源系统有一定的认识,这种方法比较灵活但是由
    于不是准确的数值分析,需要不断优化调整以达到理想值;
  • K因子法。这种方法是传承于运放设计的一种零极点固定排布分析方法,一般使用起来效果还可以,也比较简单,但是缺点在于不灵活,
    有局限性。

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2.6校验优化

  • 仿真、测试
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3开关电源环路补偿设计实例

3.1电压控制型降压转换器

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3.2电压控制型降压转换器—零极点放置法

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3.3电压控制型降压转换器—K因子法

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3.4电压控制型降压转换器—两类补偿方法对比

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资料来源链接: 控制与环路设计

### 环路控制的概念及其硬件实现 环路控制是一种常见的反馈控制系统设计方法,在开关电源和其他电力电子设备中广泛应用。其核心目标是通过调节系统的输入参数,使输出稳定在一个期望值附近。 #### 1. 开关电源中的环路控制开关电源系统中,环路控制设计是一个重要的环节。由于开关电源本质上属于闭环控制系统,因此补偿电路的调试占据了相当大的工作量[^1]。对于反激控制器而言,大多数产品采用了峰值电流控制模式。这种模式下,功率级的小信号模型可以被简化为一阶系统,从而使得补偿网络设计变得相对简单。通常情况下,使用 Dean Venable 提出的 Type II 补偿电路即可满足需求。 以下是基于 Python 的一个简单的 PID 控制器仿真示例,用于理解环路控制的基本原理: ```python class PIDController: def __init__(self, kp=1.0, ki=0.0, kd=0.0): self.kp = kp self.ki = ki self.kd = kd self.prev_error = 0 self.integral = 0 def update(self, error, dt): self.integral += error * dt derivative = (error - self.prev_error) / dt output = self.kp * error + self.ki * self.integral + self.kd * derivative self.prev_error = error return output ``` 此代码片段展示了一个经典的比例积分微分(PID)控制器算法,它广泛应用于各种工业自动化场景下的环路控制。 #### 2. 数字控制方式的应用 当涉及较低功率级别的应用时,例如某些开发板设计中提到的情况——满载功率仅为 100W 并且存在较高的控制驱动线路损耗占比,则可能更倾向于选择数字控制方案[^3]。这种方式不仅能够有效减少开关过程中的能量损失,还能进一步优化整体效率表现。 #### 3. 反激变换器的具体设计考虑因素 为了确保实际运行过程中不会因为电网波动而影响正常操作,一般会在整流之后最低直流电压 \(V_{in\text{min}\_DC}\) 条件下来完成整个反激转换器的设计规划[^4]。这一步骤涉及到对储能电容器容量的选择计算等问题。 --- ### 总结 综上所述,无论是传统模拟还是现代数字化手段实施的环路控制策略都离不开精确建模分析以及合理配置相应组件参数的过程;同时也要注意到不同应用场景之间可能存在差异化的特殊要求。
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