7000更换控制器电源步骤_开关电源控制环路(初级篇:上)

本文是 21Dianyuan 社区原创技术文章,作者 ctus220,感谢作者的辛苦付出。

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内容目录:

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1、环路和直流稳压电源的关系

2、与环路相关的基本概念

     波特图,环路稳定性判据,传递函数,零极点

3、常用的补偿控制器

     PI,Type II,Type III 控制器(s域的传递函数,波特图)

4、模拟环路设计流程

     4.1 收集系统参数(输入电压,输出电压,输出电感电容,开关频率等)

     4.2 确定功率级的零极点

     4.3 根据4.2环节确定该选用何种补偿控制器

     4.4 确定补偿控制器的参数

5、数字和模拟环路的差别

     5.1 不同的设计方法,有何异同

     5.2 数字控制的电源设计方法

6、相关仪器和软件的使用

     6.1 环路分析仪

     6.2 mathcad

     6.3 仿真软件 saber,psim,simplis,spice 等

     6.4 matlab

7、经验分享

     7.1 油机电源 MR48-2900 环路设计经验分享

     7.2 电力电源 MR220-3000 环路设计经验分享

8、总结

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稳压电源工作原理

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我们需要什么样的电源?

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电源系统框图

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Bode 图

(由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的)

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穿越频率和相位裕量,增益裕量

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环路稳定性判据:

➡ 准则1:在穿越频率处,总开环系统要有大于30度的相位裕量;

➡ 准则2:为防止-2增益斜率的电路相位快速变化,系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1(-20db/10倍 频程)

➡ 准则3:  增益裕量是开环系统的模的度量,该变化可能导致曲线刚好通过-1点。一般需要 6db 的增益裕量。

➡ 备注:应当注意,并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1,但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小,且变化相对缓慢,因此它能够保证,当某些环节的相位变化被忽略时,相位曲线仍将具有足够的相位裕量,使系统保持稳定。

要满足上述的3个准则,我们需要知道开环系统所有环节的增益和相位情况,引入传递函数,零极点的概念可以很好的分析这个问题。。。

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传递函数 零点 极点:

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零极点频率引起的增益斜率变化规则

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一个零点,表示增益斜率变化了+1。

零点会引起相位超前。由 Fz 处的零点,引起在频率 F 处超前的相位是:

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一个极点,表示增益斜率变化了-1。

极点会引起相位滞后。由 Fp 处的极点,引起在频率 F 处滞后的相位是:

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尝试用零点极点

 ➡ 来分析一个 Type II 补偿器

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转折频率 Fz 和 Fp 的设置。

Fz 和 Fp 相距越远,相位裕量就越大。这样会使低频增益减小,降低了抑制低频纹波的衰减效果。同样高频增益增大,就会使高频窄噪声尖峰以更大的幅值通过。

如果 Fz 在 Fz2 而不再 Fz1,则在低频 F1 的增益是 G1 而不是 G2;如果 Fp 在 Fp2 而不再 Fp1,则在高频Fh的增益是 G3 而不是 G4。

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低频增益和纹波的关系

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常用的补偿控制器-Type II

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常用的补偿控制器-Type III

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模拟环路设计流程

1、收集系统参数,例如输入电压,输出电压,滤波参数等,并确定开关频率

2、确定功率级的零极点

3、确定穿越频率和补偿器的类型

4、确定所需要的补偿器的零极点

5、计算实际的电阻电容参数

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设计实例

➡ 一个简单的同步降压 buck 电路(电压型)

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设计实例

 ➡ 步骤1:收集系统参数

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设计实例

 ➡ 步骤2:确定功率级的零极点

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设计实例

 ➡ 步骤3:确定穿越频率和补偿器的类型

根据采样定理,穿越频率 (fc) 必须小于开关频率的1/2,但实际上穿越频率必须远小于开关频率的1/2,否则在输出中将会有很大的开关纹波。这里开关频率为 200k,我们选择穿越频率 20KHz(1/10开关频率)。

因为 fpo

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设计实例

 ➡ 步骤4:确定所需要的补偿器的零极点

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设计实例

 ➡ 步骤5:计算实际的电阻电容参数

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设计实例

 ➡ 补偿器的 bode 图

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设计实例

 ➡ 系统开环 bode 图

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模拟控制的电源-----s 域(连续)

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数字控制的电源-----z 域(离散)

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数字控制的电源设计方法

 ➡ (直接/间接)

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环路分析仪

 ➡ 环路设计最给力的助手

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➡ 简介:Mathcad 是一种交互式数值计算系统,当输入一个数学公式、方程组、矩阵等,计算机将直接给出计算结果,而无须去考虑中间计算过程,就像打草稿一样简单,是一种“所见即所得”的计算工具。因而 MathCad 在很多科技领域中承担着复杂的数学计算,图形显示和文档处理,是工程技术人员不可多得的有力工具。

Mathcad 有五个扩展库,分别是求解与优化、数据分析、信号处理、图像处理和小波分析。

➡ 主要运算功能:代数运算、线性代数、微积分、符号计算、2D 和 3D 图表、动画、函数、程序编写、逻辑运算、变量与单位的定义和计算等。

➡ 个人评价:Mathcad 集编程,计算,显示,文档记录于一体。非常适合电源开发计算应用(比如设计计算书等),能显著提高开发效率,强烈推荐大家使用!

前面的环路设计实例就是利用 Mathcad 完成,整个环路设计过程就是一个数学计算,将复杂的数学运算交给 Mathcad 去解决吧!

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