开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正

开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正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。

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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

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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:

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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:

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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:

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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。

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实际电路,电流模式控制反激变换器为例:

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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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