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開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路設(shè)計(jì),新手必看!

發(fā)布時(shí)間:2020-02-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】環(huán)路是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜繁瑣的問(wèn)題,設(shè)計(jì)只是讓初學(xué)者能找到一條途徑,不需要過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)就能弄出一個(gè)還不錯(cuò)的環(huán)路,避免了初期的盲目嘗試和拼湊。當(dāng)然因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)是停留在理論上的,一定要在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境電路中去驗(yàn)證,調(diào)試,修改,直至滿足電路指標(biāo)要求,避免紙上談兵。
 
1、環(huán)路和直流穩(wěn)壓電源的關(guān)系 
穩(wěn)壓電源工作原理
 
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我們需要什么樣的電源?
 
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2、與環(huán)路相關(guān)的基本概念 
電源系統(tǒng)框圖
 
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Bode圖(由奈奎斯特圖測(cè)定穩(wěn)態(tài)裕量是很麻煩的)
 
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穿越頻率和相位裕量,增益裕量
■ 穿越頻率fc(crossover frequency):增益曲線穿越0dB線的頻率點(diǎn)
■ 相位裕量phase margin):相位曲線在穿越頻率處的相位和-180度之間的相位差
■ 增益裕量(Gain margin):增益曲線在相位曲線達(dá)到-180度的頻率處對(duì)應(yīng)的增益
 
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環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)
根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù),當(dāng)系統(tǒng)的相位裕量大于0度時(shí),此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
■ 準(zhǔn)則1:在穿越頻率處,總開(kāi)環(huán)系統(tǒng)要有大于30度的相位裕量;
■  準(zhǔn)則2:為防止-2增益斜率的電路相位快速變化,系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益曲線在穿越頻率附近
的增益斜率應(yīng)為-1( -20db/10倍頻程)
■  準(zhǔn)則3: 增益裕量是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的模的度量,該變化可能導(dǎo)致曲線剛好通過(guò)-1 點(diǎn)。一般需要6db的增益裕量。
 
備注:應(yīng)當(dāng)注意,并不是絕對(duì)要求開(kāi)環(huán)增益曲線在穿越頻率附近的增益斜率為必須為-1,但是由于-1增益斜率對(duì)應(yīng)的相位曲線相位延遲較小,且變化相對(duì)緩慢,因此它能夠保證,當(dāng)某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時(shí),相位曲線仍將具有足夠的相位裕量,使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
 
要滿足上述的3個(gè)準(zhǔn)則,我們需要知道開(kāi)環(huán)系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的增益和相位情況,引入傳遞函數(shù),零極點(diǎn)的概念可以很好的分析這個(gè)問(wèn)題。。。
 
傳遞函數(shù)零點(diǎn)極點(diǎn)
 
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如果輸入和反饋支路是由不同的電阻和電容構(gòu)成的,則幅頻和相頻曲線將會(huì)有許多種形式。
把阻抗Z1和Z2用復(fù)變量s(s=jw)表示,經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算,將會(huì)得到傳遞函數(shù)。由傳遞函數(shù)就可以繪制增益/相位曲線。
 
通過(guò)代數(shù)運(yùn)算,把G(s)表示為G(s)=N(s)/D(s),其分子和分母都是s的函數(shù),
然后將分子和分母進(jìn)行因式分解,表示成多個(gè)因式的乘積,即
G(s)=N(s)/D(s)=[(1+s/2*pi*fz1)(1+s/2*pi*fz2)(1+/2*pi*fz3)]/
[(s/2*pi*f0)*(1+s/2*pi*fp1)*( 1+s/2*pi*fp2)* (1+s/2*pi*fp3)],
分子中對(duì)應(yīng)的頻率fz為零點(diǎn)頻率,而與分母中對(duì)應(yīng)的頻率稱fp為極點(diǎn)頻率。f0稱為初始極點(diǎn)。
 
零極點(diǎn)頻率引起的增益斜率變化規(guī)則
 
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嘗試用零點(diǎn)極點(diǎn)來(lái)分析一個(gè)Type II補(bǔ)償器
 
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轉(zhuǎn)折頻率Fz和Fp的設(shè)置。
Fz和Fp相距越遠(yuǎn),相位裕量就越大。這樣會(huì)使低頻增益減小,降低了抑制低頻紋波的衰減效果。同樣高頻增益增大,就會(huì)使高頻窄噪聲尖峰以更大的幅值通過(guò)。如果Fz在Fz2而不再Fz1,則在低頻F1的增益是G1而不是G2;如果Fp在Fp2而不再Fp1,則在高頻Fh的增益是G3而不是G4。
 
低頻增益和紋波的關(guān)系
小信號(hào)模型
 
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3、常用的補(bǔ)償控制器 
常用的補(bǔ)償控制器-Type II

 
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常用的補(bǔ)償控制器-Type III
 
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4、模擬環(huán)路設(shè)計(jì)流程 
模擬環(huán)路設(shè)計(jì)流程
1、收集系統(tǒng)參數(shù),例如輸入電壓,輸出電壓,濾波參數(shù)等,并確定開(kāi)關(guān)頻率
2、確定功率級(jí)的零極點(diǎn)
3、確定穿越頻率和補(bǔ)償器的類型
4、確定所需要的補(bǔ)償器的零極點(diǎn)
5、計(jì)算實(shí)際的電阻電容參數(shù)
 
設(shè)計(jì)實(shí)例-一個(gè)簡(jiǎn)單的同步降壓buck電路(電壓型)
 
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步驟1:收集系統(tǒng)參數(shù)
 
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步驟2:確定功率級(jí)的零極點(diǎn)
 
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由輸出濾波電感和電容引起的雙極點(diǎn):
 
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由輸出電容RSR引起的零點(diǎn)
 
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從上面的曲線中,我們可以計(jì)算出電壓環(huán)的穿越頻率:
 
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然后還可以計(jì)算出電壓環(huán)的相位裕量:
 
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問(wèn)題:到目前為止開(kāi)環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)是穩(wěn)定的,還需要設(shè)計(jì)環(huán)路嗎?
 
步驟3:確定穿越頻率和補(bǔ)償器的類型
 
根據(jù)采樣定理,穿越頻率(fc)必須小于開(kāi)關(guān)頻率的1/2,但實(shí)際上穿越頻率必須遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率的1/2,否則在輸出中將會(huì)有很大的開(kāi)關(guān)紋波。這里開(kāi)關(guān)頻率為200k,我們選擇穿越頻率20KHz(1/10開(kāi)關(guān)頻率)。
 
因?yàn)閒po<fzo< fc <fs/2,我們選擇Type II型補(bǔ)償器.(可對(duì)照上一頁(yè)分析原因)
 
步驟4:確定所需要的補(bǔ)償器的零極點(diǎn)
 
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步驟5:計(jì)算實(shí)際的電阻電容參數(shù)
 
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補(bǔ)償器的bode圖
 
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系統(tǒng)開(kāi)環(huán)bode圖
 
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5、數(shù)字和模擬環(huán)路的差別 
模擬控制的電源-----s域(連續(xù))
 
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數(shù)字控制的電源-----z域(離散)
 
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數(shù)字控制的電源設(shè)計(jì)方法(直接/間接)
 
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6、相關(guān)儀器和軟件的使用 
 
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環(huán)路分析儀-環(huán)路設(shè)計(jì)最給力的助手
 
Mathcad
簡(jiǎn)介:Mathcad是一種交互式數(shù)值計(jì)算系統(tǒng),當(dāng)輸入一個(gè)數(shù)學(xué)公式、方程組、矩陣等,計(jì)算機(jī)將直接給出計(jì)算結(jié)果,而無(wú)須去考慮中間計(jì)算過(guò)程,就像打草稿一樣簡(jiǎn)單,是一種“所見(jiàn)即所得”的計(jì)算工具。因而MathCad在很多科技領(lǐng)域中承擔(dān)著復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,圖形顯示和文檔處理,是工程技術(shù)人員不可多得的有力工具。
Mathcad有五個(gè)擴(kuò)展庫(kù),分別是求解與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、圖像處理和小波分析。
 
主要運(yùn)算功能:代數(shù)運(yùn)算、線性代數(shù)、微積分、符號(hào)計(jì)算、2D和3D圖表、動(dòng)畫、函數(shù)    、程序編寫、邏輯運(yùn)算、變量與單位的定義和計(jì)算等。
個(gè)人評(píng)價(jià):Mathcad集編程,計(jì)算,顯示,文檔記錄于一體。非常適合電源開(kāi)發(fā)計(jì)算應(yīng)用(比如設(shè)計(jì)計(jì)算書等),能顯著提高開(kāi)發(fā)效率,強(qiáng)烈推薦大家使用!
前面的環(huán)路設(shè)計(jì)實(shí)例就是利用Mathcad完成,整個(gè)環(huán)路設(shè)計(jì)過(guò)程就是一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算,將復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算交給Mathcad去解決吧!
仿真軟件-saber
 
簡(jiǎn)介:被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件,也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品,現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真,這也是SABER的最大特點(diǎn)。SABER作為混合仿真系統(tǒng),可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真,便于在不同層面上分析和解決問(wèn)題,其他仿真軟件不具備這樣的功能。SABER的仿真真實(shí)性很好,從仿真的電路到實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn),期間參數(shù)基本不用修改。
 
主要功能:
(1)原理圖輸入和仿真
(2)數(shù)據(jù)可視化和分析
(3)模型庫(kù)
(4)建模
 
缺點(diǎn):操作較復(fù)雜,原理圖仿真常常不收斂導(dǎo)致仿真失敗。很占系統(tǒng)資源,環(huán)路掃頻耗時(shí)太長(zhǎng)(以幾十分鐘計(jì))
 
個(gè)人評(píng)價(jià):很好很強(qiáng)大,但用起來(lái)很郁悶。但不管怎么說(shuō),無(wú)愧于電源仿真軟件的No 1
 
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仿真軟件-psim
 
簡(jiǎn)介:psim是專門用于電力電子及電機(jī)控制領(lǐng)域的專業(yè)化仿真工具。psim具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優(yōu)點(diǎn)。
 
主要優(yōu)點(diǎn):psim和其他仿真軟件的最重要的差異是其仿真速度快的特點(diǎn),環(huán)路掃頻速度快(復(fù)雜點(diǎn)的幾分鐘),原理圖仿真基本都能收斂。設(shè)計(jì)
者可完全根據(jù)所掌握的主電路、控制方法等仿真知識(shí)直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 
缺點(diǎn):波形和數(shù)據(jù)的分析能力偏弱,不夠精確和細(xì)致。
 
個(gè)人評(píng)價(jià):收斂好,適合原理性的仿真,速度快。基本夠用。
 
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仿真軟件-simplis
 
簡(jiǎn)介:比SPICE快10到50倍SIMPLIS作為電路仿真軟件,可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。和SPICE一樣,可實(shí)現(xiàn)部件級(jí)分析,但其開(kāi)關(guān)電路
的瞬態(tài)分析速度比SPICE快10到50倍。
 
獨(dú)一無(wú)二的分析模式就瞬態(tài)分析來(lái)說(shuō),SIMPLIS擁有兩個(gè)以上SPICE產(chǎn)品所沒(méi)有分析模式。其中之一就是PeriodOpera-ting Point或稱為POP分析。
 
這種分析方式可以在不需要進(jìn)行電路啟動(dòng)瞬態(tài)仿真情況下,快速確定開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。該分析模式的一個(gè)應(yīng)用例子就是對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)負(fù)載瞬態(tài)影響的研究,這只在系統(tǒng)被初始化到穩(wěn)態(tài)下才是有意義的,一般電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要經(jīng)過(guò)幾千個(gè)開(kāi)關(guān)周期。而POP分析只需要幾個(gè)周期就能確定電路平衡狀態(tài),從而大大縮短了整個(gè)仿真時(shí)間。第二個(gè)獨(dú)特的分析模式就是小信號(hào)AC分析。雖然傳統(tǒng)的模擬仿真器如SPICE也有這種分析模式,但其靜態(tài)分析方法并不適用于開(kāi)關(guān)電路。SIMPLIS的AC分析模擬真實(shí)硬件電路的掃頻測(cè)量,在不需要獲得平均模型的情況下得到幅頻曲線。
 
個(gè)人評(píng)價(jià):仿真速度快。但環(huán)路掃頻的設(shè)置比較復(fù)雜,
波形分析能力太弱,有興趣的可以了解一下。
 
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仿真軟件-matlab
 
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7、經(jīng)驗(yàn)分享 
 
油機(jī)電源
 
電路特點(diǎn):該電源為基本的buck拓?fù)洌捎秒娏鲀?nèi)環(huán),電壓外環(huán)的控制方式
 
應(yīng)對(duì)策略:對(duì)于雙環(huán)嵌套的控制方式,應(yīng)該首先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán),只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)好的情況下才能設(shè)計(jì)外環(huán)。
由于buck拓?fù)渲麟娐返墓β始?jí)電流小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)我們已經(jīng)了解的很清楚,所以可以按照前面的方法采用Mathcad或者matlab去設(shè)計(jì)環(huán)路。(實(shí)際上就是數(shù)學(xué)的計(jì)算)
 
經(jīng)驗(yàn)分享:對(duì)于主電路功率級(jí)小信號(hào)模型(例如buck,boost,flybcak,
半橋,全橋)傳遞函數(shù)已經(jīng)明確的情況下,可以使用Mathcad或者matlab去設(shè)計(jì)環(huán)路。
 
參考書籍:《Fundamentals of Power Electronics》(Robert W. Erickson)
電力電源
電路特點(diǎn):該電源為三電平拓?fù)洌捎秒娏鲀?nèi)環(huán),電壓外環(huán)的控制方式
 
應(yīng)對(duì)策略:對(duì)于雙環(huán)嵌套的控制方式,應(yīng)該首先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán),只有在內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)好的情況下才能設(shè)計(jì)外環(huán)。
由于三電平拓?fù)渲麟娐返墓β始?jí)電流小信號(hào)模型的傳遞函數(shù)不是很了解,可以采用仿真軟件(saber,psim等)通過(guò)掃頻的方式首先獲得功率級(jí)的傳遞函數(shù),然后再設(shè)計(jì)環(huán)路。
 
 
經(jīng)驗(yàn)分享:對(duì)于主電路功率級(jí)小信號(hào)模型(例如LLC)傳遞函數(shù)不明確的情況下,可以借助仿真軟件去設(shè)計(jì)環(huán)路。
 
8、總結(jié) 
本文的目的:讓初學(xué)者能掌握環(huán)路設(shè)計(jì)的基本概念和流程,灌輸設(shè)計(jì)的理念,因?yàn)楫a(chǎn)品的質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來(lái)的。由于本文是初級(jí)篇,只講設(shè)計(jì)思路和方法,非常具體的環(huán)路設(shè)計(jì)細(xì)則不在本文所包括的范圍,請(qǐng)參考其他書籍或后期培訓(xùn)交流。
 
環(huán)路是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜繁瑣的問(wèn)題,設(shè)計(jì)只是讓初學(xué)者能找到一條途徑,不需要過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)就能弄出一個(gè)還不錯(cuò)的環(huán)路,避免了初期的盲目嘗試和拼湊。當(dāng)然因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)是停留在理論上的,一定要在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境電路中去驗(yàn)證,調(diào)試,修改,直至滿足電路指標(biāo)要求,避免紙上談兵。
 
 
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