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1.开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正等
这部分内容主要从控制系统的角度对开关电源进行功能划分,介绍开环、闭环、稳定性等,在此基础上介绍开关电源系统校正,并试图从理论上解释线性调整率、负载调整率、输出稳态误差等产生的原因。Bode图是工程技术领域最常用的分析工具,如何应用到开关电源环路设计?
1.1开关电源系统
1.2开环、闭环系统
1.3开关电源的动态、稳态
1.4补偿校正
开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正等
1.1开关电源系统
众所周知,开关电源是一个典型的闭环控制系统,而且是一个高度非线性时变系统。一般而言,涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究,不过,基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂,我相信,没有受过研究生教育的工程师是很难看懂那些艰深晦涩的公式的,反正我是看不懂。而基于传递函数经典控制理论虽然模型不够精确,但是在实际工程应用中取得了非常不错的效果。
记得上学的时候,我的控制理论老师告诉我,在现代工业系统设计中,95%以上的自动控制系统都是用经典控制理论去分析设计完成的。所以,以下对开关电源环路控制的分析总结,均不涉及现代控制论(对于矩阵分析,说实话我也是只停留在概念中,虽学过,但无法跟实际应用联系起来),基于传递函数的经典控制论,经过几十年的发展,应经相当成熟,物理概念清晰,而且通俗易懂。
我认为,学习环路控制,要做的第一件事是:在脑海中建立自动控制系统的概念。 尤其是反馈控制系统。
补充一下传递函数的概念:
控制理论中的传递函数(特指线性系统),定义为系统输出量拉氏变换与系统输入拉氏变换的之比。
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开始正题…
下图是一个典型的反馈控制系统的框图:
在反馈控制系统中,控制器对被控对象施加的控制作用是取自被控量(即输出量)的反馈信息,用来不断地修正被控量与给定值之间的偏差,从而实现对被控对象进行控制任务,这就是反馈控制的原理。
(以上出自《自动控制原理》第一章)。
对于一个实际的系统而言,往往伴随着外界的扰动,则系统的输出将会受到扰动的影响:
开关电源是一个典型的反馈控制系统,将上图对应到开关电源:
在开关电源的环路分析中,通常我们把误差放大器部分叫做补偿电路(Compensation Circuit),把PWM发生器和功率拓扑(正激、反激、半桥、全桥…..)合并叫做功率级(Power Stage),于是有:
实际上,我们所说的环路控制,主要是在补偿电路(Compensation Circuit)上下功夫。
实际电路,电流模式控制反激变换器为例:
对于反激变换器,功率级主要包括控制IC、MOS、变压器、整流滤波。功率级的功能是执行能量的传输(即执行机构和控制对象),在实际设计中,我们会根据拓扑结构、输入输出电压范围、传输功率大小、温升、尺寸等要求,来对功率级各部分元器件参数进行设计、选型,一般而言,在特定的约束条件下,功率级的设计没有太大的灵活性,经验占有相当大的比重。
补偿电路(Compensation Circuit)的功能是将采样后的输出电压与基准电压(给定值)相比较,并对比较后的偏差信号进行放大,进而去控制功率级传输能量的大小,使输出电压服从给定值。我们常说的环路补偿设计,指的就是补偿电路(Compensation Circuit)几个电阻电容参数的合理选取,在实际设计中,根据不同的性能指标要求(如低噪声、低动态过冲、快速动态响应等),补偿电路(Compensation Circuit)的设计灵活性非常高。
所以,以后的内容着重围绕补偿电路(Compensation Circuit)来展开,在此之前,需要阐述一些概念性的东西,为后续内容做铺垫。
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