稳定环路设计.docx

PAGE

PAGE10

稳定控制环路设计

摘要：

这篇文章的目的是向设计者提供开关电源反馈控制中一种实用的环路补偿观点。一个可靠的系统是从最基本的反馈概念着手，然后一步步设计的过程，最初应用到简单的buck调整器，然后扩展到其他的拓扑和控制算法。范例设计是通过matcad仿真图解阐明增益和相位裕度和它们对性能分析的影响。

介绍

确保电源稳定性通常是电源供电方案设计过程具有挑战性的方面之一。当你正在向老板或者客户展示你的试验板时，突然间不断振荡比任何东西都令人手足无措。但是相信很多设计者认为预防这不幸事件而进行的分析很困难。设计工程师应用的方法通常是以在实验室中试算的经验测试为重点，或者依赖计算机仿真寻找一种以复杂的数学模型为基础的数字方案。当这些方法在电路设计中出现时，一种对反馈理解的基本原理通常会将其定义为具有最小计算效果的合理补偿网络。

稳定性定义

稳定系统响应不稳定系统图1是稳定性定义的一种简单说明。简而言之，一个系统遭到某些源的干扰时，对干扰的响应最终消失，这个系统就是稳定的。注意在任何现实系统中，因为系统可能会达到饱和状态或者失败，不稳定性不能导致完全的极限响应。开关调整器中的振荡至多使占空比在

稳定

系统

响应

不稳定

系统

干扰

干扰

响应

图1稳定性定义

图2是另外一种观察稳定的方法。图例说明了系统稳定性的概念，同时也指出了必须对大信号和小信号稳定加以区分。虽然小信号稳定是系统一个重要和必需的标准，一个系统可能会满足这些要求，但是在大信号的干扰时，系统也可能不稳定。对于设计者来说，谨记计算增益和相位仅仅是保证小信号稳定。这些计算是以线性系统为基础，也仅适用线性系统，并且要和非线性的开关调整器区分开。通过分析大信号工作点周围的小信号干扰，解决这个难题，在设计过程讨论中将会区分的更明白。

3反馈控制原理

图3是基本的调整器。图中系统的输入端用的是未受控的电压(电流、功率)源，以希望很好的控制输出的电压（电流、功率）。控制基准是某种形式参考，输出和参考之间任何

小信号稳定大信号不稳定

小信号稳定

无条件稳定 不稳定

图2大信号和小信号的稳定性

偏离变成误差。在反馈控制系统中，负反馈用来减小这个误差到一个可接受的值，希望这个值越接近于0。然而，我们也希望迅速减小这个误差，但反馈控制就是系统响应和系统稳定之间的内在平衡。反馈网络的响应越多，不稳定的风险越大。在这一点上，应该提到另外一种控制方法——前馈。前馈的控制信号直接加到输入信号的变化或者干扰响应上。因为不包含输出检测，前馈没有反馈准确，然而，也没有等待输出误差信号去叠加的延迟，并且前馈控制不会引起不稳定。很明显，前馈控制对电压调整器来说作为唯一的控制方法是不够的，但它通常和反馈一起使用，以改变调整器输入变化的动态响应。

前馈系统

前馈

系统

输入

输出

参考

反馈

图3 基本调整器

输入

u + ?

参考

_

负反馈

G Y

输出

y?Gu?GHy

H Y(1?GH)?Gu

y? G

图4反馈控制流程图

u 1?GH

基本的反馈控制如图4的流程图所示。输出的目的是跟随已知的参考，对外部干扰来说，例如输入电压的变化，目的是在输出端减小到可容忍的程度。

没有反馈时，参考对输出的变换函数y/u等于G，输出就可以表示为：y?Gu

加上反馈后（实际上是反馈信号的减小）

y?Gu?yHG

参考到输出的变换函数变为：

y? G

u 1?GH

如果我们假设GH??1，

y整个变换函数化简为： ?1

y

u H

现在，这个结果不仅和G无关，也与可能影响G的所有系统参数（例如电压、温度、器件误差等）无关。取而代之仅仅由反馈网络H决定（当然，还有参考）。注意H的准确性

（通常是电阻器误差）和在求和电路中（误差放大的偏置电压）将仍然得到输出误差。实际上，像图4模型一样的反馈控制系统设计成在尽可能宽的频率范围中GH和GH1，不会引起不稳定。

可以对普通的电源调整器做更进一步的改进，如图5所示。把电源系统分成两块：功率部分和控制电路。功率部分处理负载电流，通常庞大且沉重，并且受温度变化影响。它的开关函数被定义为大信号现象，通常在大多数稳定分析中仿真成在一个占空比下两种状态开关。输出滤波也属于是功率部分，但是认为是线性块。控制电路由增益块——误差放大——和定义为电源开关的占空比的脉宽调节器。

源功率

源

功率

电路

负载

控制

前馈

控制

电路

反馈

buck变换器

参考

图5一般的电源调整器

电源调整器最简单的形式是buck电路—降压拓扑。图6是它的功率级。在这种结构中，一DC输入电压以固定速率被开关应用