《开关电源仿真与设计》-反馈和控制环
<div> 反馈理论广泛见于各类教材，本章聚焦于阐述一系列基础而关键的发现，进而揭示加速功率变换器稳定性的补偿策略。在电力电子领域，功率级电路（如HσV误差放大器、GOnα调制器及GpwM Vref系统）的核心挑战在于维持输出电压或电流恒定，无论输入电压波动、负载变化或环境温度如何。为实现此目标，特定电路（即参考电路，典型为高精度的电压源Vref）需展现出对外部变量的高免疫性，确保在全温度范围内稳定可靠。</div><div style="text-align: center;"></div>
<div> 图3.1直观展示了闭环工作的开关模式功率变换器简化模型，它犹如实验室中的电源原型，借助误差放大器精准调控，力求实现Vo=Vref/α的理想平衡。此处的α，由分压电阻Rupper与Rlower共同决定。</div>
<div> 系统的小信号特性，运算放大器的同相端接地，Riower组件作用减弱，环路增益主要取决于Rupper与Z的组合。值得注意的是，调整分压比α对环路增益无直接影响。运算放大器的输出Ve(s)驱动PWM增益块，而补偿网络则扮演了至关重要的角色，它精细调整变换器的频率响应，确保闭环系统能在各种条件下稳定运行。这一过程，不仅是技术上的优化，更是对电力电子技术深刻理解与应用的体现。</div>
<div> 揭示变换器传输函数存在的不同方法，最简单的一种是把环路断开，并加入一个输入信号，然后观察断开环路的另一端信号。这种方法在SPICE环境下运行顺利,但该方法在高开环增益条件下,会引起工作点失控的大问题。因此,在实际试验中,不推荐该方法。关于断开环路的策略，即物理断开环路并借助外部，利用电感在直流状态下（即偏置点计算时）通过固定直流电源来设定偏置点（调整电源至适宜输出电压），从而有效屏蔽误差链中的调制信号。在高直流增益环境下，尤其是运算放大器构建的反馈系统中，保持理想工作点尤为挑战。因外部环境温度变化可能导致外部电源产生数百毫伏的偏移，此偏移足以使误差放大器输出逼近极限值，进而引发显著噪声。为此推荐采用变压器方法，该方法在测量实践中被证实为有效。其核心在于：在直流条件下闭合环路以确保稳定性，而在交流信号处理时则灵活断开环路，以此优化系统性能，减少误差与噪声干扰。</div>
<div> 波特图是最受欢迎的稳定性判定工具，可以在频域快速观察传递函数幅度。</div>
<div> 交叉频率的选定，深受多重设计因素与限制条件的交织影响。在功率变换器的设计领域，利用交叉频率f点的输出容抗来模拟闭环输出阻抗，是一种行之有效的方法。此举使得在输出瞬态阶跃Aout发生时，能够更为精准地预测并控制输出电压的欠脉冲现象。根据所需的纹波性能与有效电流值，选定输出电容后，可估算交叉频率值。选择交叉频率时还需考量多种限制因素。例如，在CCM升压、降压-升压或反激式变换器中，若存在右半平面零点(RHP)，则交叉频率应低于最低零点位置（最差情况）的30%。在电压模式变换器中，LC网络（L或Le）的谐振尖峰亦会限制交叉频率。若谐振频率处相位滞后且无增益，选择接近该谐振频率的交叉频率可能引发稳定性问题。故在最差条件下，交叉频率应低于谐振频率的1/5，以确保足够的阻尼避免振铃。反之，在无RHP的情况下，交叉频率设为开关频率的10%~20%间似乎可行。但需注意，提高交叉频率可能引入噪声问题。理论上，在选定的截止频率处，应确保足够的相位裕度(PM)和增益裕度(GM)。然而，实践中宽环路带宽会增加噪声敏感性，减少PM和GM可能引发不稳定。因此，应避免将截止频率设置过高以超出实际需求，比如系统能在1 kHz截止频率下正常工作，则无需设定为15 kHz，以减少不必要的噪声问题。</div>
<div> 稳定性之基，需要构建补偿网络，旨在确保选定交叉点享有充裕的相位裕度与卓越的直流增益。达成此目标，可借助多样化的补偿电路设计，巧妙融合极点与零点。核心策略在于，于交叉频率处实现相位增强，以确保足够的相位裕量，这一过程需引导环路相位曲线。在实际操作中，交叉频率处的理想相位提升（旨在抵消功率级在此频段的相位滞后）未必总能如愿达成。面对此挑战，我们需灵活调整策略，适度降低相位提升的预期指标。</div>
<div> 简易稳定性工具-k因子：在追求电路稳定性与性能卓越的征途中，如何简便而精确地使零点和极点在特定频率与0dB轴相交，并满足相位裕度的严苛要求？k因子的引入揭开对变换器开环波特图的深入剖析。</div>
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<div> k因子，这一精妙的设计参数，巧妙地揭示了补偿网络所创造的零点与极点频率间应有的距离间隔，如图3.28所示，其图示直观展示了这一关系的精髓。通过预设理想的交叉频率ωc及该频率下所需的相位裕度，k因子仿佛一位智能向导，自动布局零极点，确保ωc恰为两者频率的几何中点，同时在ωc处实现相位提升的最大化。值得注意的是，随着k值的微妙变化，交叉频率处的相位提升亦展现出灵活的适应性。一旦我们从待稳定的变换器开环波特图中精准提取出k因子及其他关键数据，便可无缝衔接至放大器类型1、2、3的补偿组件设计中。</div>
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<div> TL431作为反馈系统的广泛应用，已逐渐取代了传统运算放大器的地位。TL431内置了稳定且高精度的带误差放大器参考电压，即便其开环增益不及专业运算放大器，却足以满足多数产品的精度需求。上图直观展示了TL431的内部构造，其核心在于那稳定的2.5V参考电压，为运算放大器的反相输入端精准偏置。TL431的输出巧妙地驱动双极型晶体管，形成了一种分流调压器的配置。当参考引脚R的电压低于2.5V时，晶体管静默以待；一旦电压超越此阈值，晶体管即刻导通，电流顺畅流通。若将光耦二极管LED与TL431的K极巧妙串联，便能构建出光隔离反馈系统，进一步拓展其应用边界。对于输出电压需低于2.5V的特定场景，TLV431以其更小的最小偏置电流脱颖而出，成为低待机功耗设计的优选。</div>
<div><strong>总结：</strong></div>
<div> （1）在运算放大器的应用中，电阻网络精妙地调控直流输出，而Riower对环路的交流增益保持中立。这得益于运算放大器构筑的虚地效应，使得Rlower在交流视角中隐匿，Rupper对环路增益影响最大。为稳固功率变换器的性能，高直流增益、卓越的输出精度、低阻抗输出及优异的输入抑制特性不可或缺。优化瞬态响应与缩减欠脉冲幅度，则需精心挑选交叉频率。高交叉频率策略能有效抵御噪声诱导的不稳定，但需审慎调整f值，避免过度推高。对于无过冲响应，相位裕度宜维持在70°左右，30°为底线，低于此值将引发不可容忍的高振铃现象。增益裕度则应设定在10至15dB区间，以应对各类增益波动挑战。</div>
<div> （2）TL431作为市场宠儿，广泛嵌入各类消费品之中。深入理解其偏置电流及LED串联电阻所设之限，至关重要。虽不及运算放大器补偿器那般灵活多变，TL431以其双信道（快慢兼具）独特设计设计闻名。</div>
<div> （3）在PFC控制器领域内，基于OTA的补偿器屡见不鲜。其芯片小巧，实现便捷，然与运算放大器异曲同工之处在于，它摒弃了虚地概念，使得下分压电阻在电路中扮演关键角色。在类型1与2补偿架构下，OTA补偿器游刃有余；然至类型3结构，其灵活性则大打折扣。</div>
<div> （4）k因子，确定极点与零点的利器，然其效用非普适。k因子技术仅聚焦于交叉频率之点，对前后频段则视而不见，需要审慎评估所荐极零点位置。于DCM电压模式或DCM/CCM电流模式设计中，采用放大器类型2补偿，往往成效斐然，而CCM电压模式设计若采类型3补偿，可手动调整极零点布局。</div>
<div> （5）电源补偿之际，光耦合器极点位置不可忽视。务必精确测量或计算其位置，并融入环路设计之中，以免功亏一篑。</div>
<div> （6）电源补偿完成后，实验验证环节不可或缺-环路带宽测量。</div>
<p>看起来这本书可以读读，注重理论与实践相结合比较紧密</p>
qwqwqw2088 发表于 2024-9-1 09:04
看起来这本书可以读读，注重理论与实践相结合比较紧密
<p>很实用，不过说实话接受起来会有点困难，前后联系的很紧密，专业表达很多</p>
<p>反馈和控制是活的目标输出 的关键 </p>
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