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【开关直流电源频域1】概述、 与环路相关的基本概念

概述


开关直流电源的瞬态分析与综合方法有时域法和频域法两种。综合的主要任务有两个:一个是设计开关直流电源的电 压与直流电源电流控制器(也称补偿器);二是选定补偿网络的元件参数。开关直流电源是一个非线性闭环系统,瞬态性能与 控制变量之间表现出很强的非线性关系,所建立的是非线性模型(也称大信号模型)。


利用频域模型(如方块图、传递函数等),在复频域(S域)内对开关直流电源进行交流小信号分析(或仿真)的 最终目的是要检验系统的时域性能指标是否满足要求。频域分析的方法包括零点极点分析、频域特性和频率响应 分析等。


开关直流电源系统的频域综合分析的一般步骤


(1)确定控制方法,直流电源电压型控制或直流电源电流型控制;


(2)画出闭环系统应有(希望)的Bode图;


(3)画出变换器功率级直流电源电路设计、直流电源电压检测(分压器)、脉宽调制器、驱动直流电源电路设计等的Bode图;


(4)将步骤(2)、步骤(3)所得的两个Bode图相减,就可以得到补偿网络应有的Bode图,可以根据该Bode图 来确定补偿网络的主直流电源电路设计和元件参数,因此开关直流电源系统的设计问题归结为控制直流电源电路设计中补偿网络的设计问题。


时域法综合分析系统的步骤


用时域法综合确定自定调节系统的控制器(或补偿网络)参数的步骤如下:


(1)当开关直流电源初步设计完成后,加阶跃负载或阶跃输入直流电源电压;


(2)测量开关直流电源样品对加阶跃负载或阶跃输入直流电源电压的响应;


(3)如果对瞬态响应不满意,或是瞬态响应不满足规定要求时,则要修改控制器(或补偿网络)参数,重复上 述步骤,直到满意为止。   时域法综合法是一种试验法(或试探法),即调试方法。利用频域进行分析后,仍然要进行调试。 设计一个性能优良的直流电源除了选择好正确的方案(如拓扑结构,IC 等)外,还应包括储能元件和环路参数 的优化计算。环路包含直流电源电压环和电流环两部分,而直流电源电压环与输出直流电源电压的调整息息相关,它涉及到系统的负反馈网 络,影响系统的稳定度,故它显得尤为重要;现在就让我们一起探讨一下该部分的设计内容。



与环路相关的基本概念


1转移函数(传递函数)定义为系统输出量除以输入量的比值。


2零极点变化规则


左半平面单零点(↗): 表示增益和相位都随着频率的增加而增加;且增益斜率和相位斜率的变化均为+1,即增 益按+20dB/十倍频变化,而相位也按45°/十倍频变化;零点频率处的相位是45°。


左半平面单极点 (↘): 表示增益和相位都随着频率的增加而减小;且增益斜率和相位斜率的变化均为-1,即增 益-20dB/十倍频变化,而相位也按45°/十倍频变化;极点频率处的相位是45°。


附注:若零点和极点数量增加,增益斜率和相位斜率则变为零点和极点的个数。


3波特图:表示系统的输出直流电源电压信号相对于输入直流电源电压信号的增益-频率和相位移-频率之间的曲线图; 为了计算方 便,增益一般都以分贝方式表示在对数纸上。


4控制到输出特性 (系统开环响应):指直流电源系统不考虑误差放大器及补偿网络(即补偿器被移除后)的影响, 以EA的输入端作为系统输出点, 以EA的输出端(PWM 的输入端)作为系统(即剩余网络)输入点;若 此时系统输入点被扫频仪“扫过”,所得的波特图,即为控制到输出特性,也称系统开环响应。


5单位增益:指系统绝对增益为1 时的增益量;为了计算方便,通常用相对增益G(s)=20*log1=0dB 来定义。


6穿越频率Fco ( crossover frequency) :指在波特图中,系统相对增益为0dB时所对应的频率(增益曲线穿越0dB 线的频率点);也称单位增益频率(带宽)、截止频率或剪切频率,一般以符号Fco 表示。


7转折频率:电路中两个电抗元件阻抗相等处的频率。


8相位裕量(phase margin) :指系统在穿越频率处,总的环路相位延迟与-360°之差值(见以下示意图)。或指 相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差(减去反相运放本身相移的180°相移)。


9增益裕量(Gain margin):指系统相位在-360 °时所对应的总的环路增益与0dB 的差值(图1)。或指增益曲 线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益(减去反相运放本身的180°相移)。


10相位余量:在所有增益大于1(0dB)时,相频特性曲线上最靠近360°的点。

直流电源反馈系统波特图

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