控制环路设计原则

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控制环路设计

开关电源控制环设计资料来源：Switching power supply control loop design(ASTEC-Application Note 5)译者：smartway1. 绪论在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。

因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。

由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。

下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。

给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。

测试结果和测量方法也包含在其中。

2. 基本控制环概念2.1 传输函数和博得图系统的传输函数定义为输出除以输入。

它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。

整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。

在博得图中，增益用对数图表示。

因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。

系统的相位是整个环路相移之和。

2.2 极点数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。

在图形上，当增益以20dB 每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。

图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。

其传输函数和博得图也一并给出。

2.3 零点零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。

在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。

图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。

存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。

伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。

右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。

右半平面零点的博得图见图3。

基于tl431的控制环路设计

基于tl431的控制环路设计基于TL431的控制环路设计引言：控制环路是电子系统中常见的一种设计方法，用于实现对某个系统的控制和调节。

在电源电路设计中，基于TL431的控制环路常被应用于电压稳压器的设计中。

TL431是一种可调节精度较高的电压参考源，可以用于实现电源电压的精确调节和稳定。

本文将详细介绍基于TL431的控制环路的设计原理和步骤。

一、TL431的工作原理：TL431是一种三端可调节精密稳压器，其工作基于比较器的原理。

它内部包含一个精密的参考电压源，通过比较输入电压和参考电压的大小，控制输出端的电流来实现电压的精准调节。

当输入电压高于参考电压时，输出电流增大，使得输出电压下降；当输入电压低于参考电压时，输出电流减小，使得输出电压上升。

通过不断调节输出电流，TL431可以实现对电源电压的稳定调节。

二、基于TL431的控制环路设计步骤：1. 确定电源电压调节范围和稳定要求：根据具体应用需求，确定电源电压调节的范围和所需的稳定性。

这将为后续的控制环路设计提供基础。

2. 选择参考电压：根据电源电压调节范围和稳定要求，选择合适的参考电压。

一般情况下，参考电压取电源电压调节范围的中间值，以保证在整个范围内都能实现较好的稳定性。

3. 设计反馈网络：根据所选择的参考电压和稳定要求，设计反馈网络来确保输出电压稳定。

反馈网络一般由电阻和电容组成，可根据需要选择合适的数值。

4. 设计误差放大器：误差放大器用于放大输入电压和参考电压之间的差异，以控制TL431的输出电流。

误差放大器一般由一个比较器和一个放大器组成，可以使用运算放大器等器件实现。

5. 设计输出级：输出级一般由功率晶体管组成，用于提供足够的输出电流来驱动负载。

根据负载的电流需求，选择合适的功率晶体管，并设计合适的驱动电路。

6. 进行仿真和优化：在完成上述设计后，使用电子电路仿真软件对整个控制环路进行仿真和优化。

通过仿真可以验证电路的性能，优化参数以满足设计要求。

最不利环路的确定原则-概述说明以及解释

最不利环路的确定原则-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述环路是指一个系统内部信号在不同的路径上形成闭合回路，这种回路会对系统的稳定性产生一定的影响。

在系统设计中，确定最不利环路是十分重要的，因为它可以帮助我们更好地了解系统的稳定性及其特性，并在必要时进行优化和改进。

本文的目的是探讨确定最不利环路的原则，并讨论其在系统设计中的重要性。

我们将首先介绍环路的概念和意义，接着详细分析环路对系统稳定性的影响。

然后，我们将介绍确定最不利环路的方法，并总结出最不利环路的确定原则。

最后，我们将讨论应用最不利环路原则的重要性，以及展望未来研究方向。

通过深入研究最不利环路的确定原则，我们可以更好地理解系统的运行机制，并找到系统中潜在的问题和改进的空间。

这对于提升系统的稳定性、性能和可靠性具有重要意义。

在现代科技迅速发展的时代背景下，最不利环路的确定原则的研究及其应用将成为未来系统设计和优化的重要方向。

因此，本文旨在通过对最不利环路的确定原则进行全面的分析和总结，为系统设计师提供实用的指导和建议。

希望读者通过阅读本文，能够深入了解最不利环路的概念及其在系统设计中的应用，从而为实际工作提供有益的参考。

1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。

下面将对每个部分的内容进行简要介绍。

引言部分将对本文的主题进行概述，介绍环路的概念和意义。

首先，我们将解释环路在系统中的作用和重要性，以及环路对系统稳定性的影响。

然后，我们将说明文章的结构和目的，为读者提供文章阅读的导引。

正文部分将详细讨论环路的概念和意义，以及其对系统稳定性的影响。

首先，我们将介绍环路的定义和特点，帮助读者理解环路在系统中的含义。

然后，我们将探讨环路对系统稳定性的影响，包括环路可能导致的负面效应和问题。

最后，我们将介绍最不利环路的确定方法，指导读者在实践中如何确定系统中最不利的环路。

结论部分将总结最不利环路的确定原则，并讨论应用最不利环路原则的重要性。

连续导通型pfc控制环路设计

连续导通型PFC的控制环路设计ICE1PCS01控制IC给出了一种全新的连续电流导通型(CCM)的控制方式，给出了全新的控制电路。

与传统连续导通型PFC方式相比，它不用直接从AC线路检测正弦信号作为参考信号，采用平均电流控制方式实现单位功率因数。

本文我们介绍和提供模型及工具以改善控制环路的特性, 我们的目的不仅要确保在窄的带宽下实现功率因数，还要给出足够的相移区域，以确保系统在整个工作范围内能稳定工作。

1,介绍传统的二极管整流放在电子设备前端，以从线路上获得决定于线路电压的脉冲电流。

产生的辐射及传导的电磁辐射导致供电系统变坏。

为此IEC61000-3-2的谐波调整采用有源功率因数较正电路的方法于近年流行。

对小功率的(200W)，断续导通型(DCM)的PFC更适用。

其本钱低廉，它仅有一个控制环, 即电压环。

在其控制方框电路中，设计容易也较简单, 但其固有的大电流纹波使得DCM方式无法用于更大功率。

在大功率应用中, 连续电流型(CCM)的PFC更为适宜。

图1 DCM和CCM的工作原理图2 ICE1PCS01的应用电路在传统的CCM方式中，有两个控制环，称作电压环和电流环的传输函数。

因此，CCM的控制电路IC引脚很多，我们今天介绍的ICE1PCS01那么仅有8个引脚, 而且各种保护特色都集成进去，成为新一代PFC控制器的典型作品。

其等效电路及应用电路如图2。

我们看到它不直接检测正弦波信号给IC, 在此控制环的补偿设计中仅有一个环路。

详细分析如下:2, 电压环补偿控制环路方框图如图3, 共有四个方框, 误差放大器G1(S)，IC的PWM调制器G2(S), 升压变换器的功率级G3(S)及反应检测G4(S)。

图3 电压控制环的方框电路2.1反应G4(S)反应方框是一个简单的电阻分压器，用于监视大Bulk电容上的输出电压，电路如图4所示。

2.2误差放大器补偿G1(S)图4 G4的反应电路图5 误差放大器的补偿回路误差放大器补偿电路示于图(5)，传输函数为：此处g OTA1为OTA1的跨导，典型为42uS 。

开关电源控制环路设计

开关电源控制环路设计前馈环节通常由开关电源的输出电压或电流采样电路、误差放大器、比较器和PWM控制器等组成。

开关电源的输出电压或电流通过采样电路进行实时的电压或电流测量，并将测量值与设定值进行比较。

误差放大器将比较器输出的误差信号放大，并输出给PWM控制器。

PWM控制器根据误差信号调整开关管的导通和关断时间，从而控制开关电源输出电压或电流的稳定性。

反馈环节通常由输出电压或电流反馈回路组成。

反馈回路通过将开关电源输出电压或电流与参考电压或电流进行比较，得到误差信号，并将其输入到前馈环节的比较器中。

反馈环节的作用是通过不断地调整开关电源的工作状态，使输出电压或电流尽量接近设定值，并抵消部分外部环境的影响，以保持开关电源稳定工作。

在开关电源控制环路设计中，需要考虑诸多因素。

首先是前馈环节的设计。

前馈环节应具有高增益和低失真的特性，能够准确地将输出电压或电流的变化转换为误差信号，并将其输出给PWM控制器。

其次是PWM控制器的设计。

PWM控制器应能够按照误差信号的大小和方向，精确地调整开关管的导通和关断时间，并保持开关电源输出电压或电流的稳定性。

最后是反馈环节的设计。

反馈环节应能够准确地测量开关电源的输出电压或电流，并将其输入到前馈环节的比较器中。

同时，反馈环节还需考虑去除噪声和抑制振荡等问题，以保证闭环控制系统的稳定性和可靠性。

开关电源控制环路设计的关键是要平衡稳定性和动态响应速度。

稳定性是指开关电源在加载变化或输入电压波动等情况下，输出电压或电流能够尽快地恢复到设定值并保持稳定；而动态响应速度则是指开关电源对设定值的变化能够迅速地响应。

在设计中，需要根据具体的应用需求和制约条件，选择合适的控制算法、滤波器和补偿网络等，以使开关电源控制环路设计达到较好的稳定性和动态响应速度。

总之，开关电源控制环路设计是一个复杂而关键的任务。

它需要综合考虑前馈环节、反馈环节以及稳定性和动态响应速度等因素，以实现开关电源的稳定性和输出精度要求。

串联校正系统设计

串联校正系统设计引言：串联校正系统（Cascade Control System）是一种常用的控制系统结构，通过将多个控制环路串联在一起，实现更高级别的控制和优化。

本文将介绍串联校正系统的设计原则和步骤。

一、设计原则：1. 目标一致性：各个控制环路的目标必须要一致，以确保系统能够整体协调运作。

2. 层次化：将系统分为多个层次，每个层次对应一个控制环路，上层环路控制下层环路的设定值，下层环路控制具体的执行。

3. 校正器选择：选择合适的校正器，使得系统的动态响应满足要求，同时保持稳定性。

二、设计步骤：1. 确定系统层次：根据实际需求和系统结构设计，确定系统的层次结构。

2. 确定各个环路：根据系统的层次结构，确定每个层次对应的控制环路，包括上层环路和下层环路。

3. 设定目标：对于每个环路，设定合适的目标，如温度、压力等。

4. 设定环路连接方式：根据系统的工作原理和目标要求，确定各个环路之间的连接方式，可采用级联、串联等方式。

5. 设计校正器：根据系统的特点和要求，选择合适的校正器，如PID控制器、模型预测控制器等。

6. 参数调整：对于每个环路的校正器参数进行调整，使得系统的动态响应满足要求，同时保持稳定性。

7. 系统测试：对整个系统进行测试，验证设计的可行性和有效性，并进行必要的调整和优化。

三、示例：以温度控制系统为例，设计一个串联校正系统。

系统包含三个环路，分别是室内温度环路、供水温度环路和供水流量环路。

1. 确定系统层次：系统的层次结构为：室内温度环路（上层环路）→供水温度环路（中层环路）→供水流量环路（下层环路）。

3. 设定目标：室内温度环路的目标设定为25摄氏度，供水温度环路的目标设定为60摄氏度，供水流量环路的目标设定为10L/min。

4. 设定环路连接方式：采用级联连接方式，上层环路控制下层环路的设定值。

5. 设计校正器：对于每个环路，选择合适的校正器。

如室内温度环路可以使用PID控制器，供水温度环路可以使用模型预测控制器。

数字控制pfc电路的建模与环路设计

数字控制PFC（Power Factor Correction）电路是一种用于提高电源系统功率因数的技术。

在这篇文章中，我将深入探讨数字控制PFC电路的建模与环路设计，并共享我对这一主题的个人观点和理解。

一、数字控制PFC电路的重要性在现代电力系统中，高功率因数对于提高能源利用率和减少能源浪费至关重要。

数字控制PFC电路能够有效地改善电力系统中的功率因数，减少谐波失真，并提高系统的稳定性和效率。

对数字控制PFC电路的建模与环路设计是至关重要的。

二、数字控制PFC电路的建模1. 理想模型与实际模型在建模数字控制PFC电路时，我们首先需要区分理想模型和实际模型。

理想模型可以帮助我们更好地理解数字控制PFC电路的基本工作原理，而实际模型则需要考虑诸如元件损耗、非线性特性以及环境变化等因素的影响。

2. 建立数学模型建立数字控制PFC电路的数学模型是非常复杂的，需要考虑电压、电流、功率因数等多个因素的相互作用。

通过数学模型，我们可以对数字控制PFC电路的动态响应和稳定性进行分析，并进一步优化控制策略。

三、数字控制PFC电路的环路设计1. 电流环路设计电流环路是数字控制PFC电路中最关键的部分之一，它直接影响着输出电压的稳定性和谐波失真的程度。

在电流环路设计中，需要考虑电流控制技术、采样频率、滤波器设计等因素，以实现精确的电流控制和减小谐波失真。

2. 电压环路设计电压环路在数字控制PFC电路中起着监测和调节输出电压的作用。

通过合理的电压环路设计，可以实现快速的电压动态响应和稳定的输出电压。

四、个人观点和理解数字控制PFC电路的建模与环路设计是一项极具挑战性的工作，需要综合考虑电力电子、控制理论和数学建模等多个领域的知识。

对于我来说，深入研究数字控制PFC电路的建模与环路设计不仅可以拓展我的专业知识，还能够帮助我更好地理解和应用电力电子技术。

总结通过本文对数字控制PFC电路的建模与环路设计的探讨，我们可以清晰地了解数字控制PFC电路的重要性、建模方法、环路设计原则以及个人观点和理解。

开关电源控制环路设计

开关电源控制环路设计稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■ 相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■ 增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。

■ 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。

传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。

把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。

由传递函数就可以绘制增益/相位曲线。

通过代数运算，把G(s)表示为G(s)=N(s)/D(s),其分子和分母都是s的函数，然后将分子和分母进行因式分解，表示成多个因式的乘积，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)]，分子中对应的频率fz为零点频率，而与分母中对应的频率称fp为极点频率。

开关电源光耦反馈控制环路的稳定性设计

收稿日期：２０１２ — １２ — ２４
当传递函数中的分母为零时会产生一个极点，它对
应于波特图上增益以２０ｄＢ／１０倍频程的斜率开始
递减时产生的极点。在频域范围内，当传递函数的分子等于零时会产生一个零点，它对应于在波特图
ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＯｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒＦｅｅｄｂａｃｋＣｏｎｔｒｏｌＬｏｏｐＳｔａｂｉｌｉｔｙＤｅｓｉｇｎ
ＳＨＡＺｈａｎ — ｙｏｕ，ＭＡＨｏｎｇ — ｔａｏ
沙占友，马洪涛
（河北科技大学，河北石家庄０５００５４）
摘
要：首先介绍对光耦反馈控制环路的基本要求，然后详细阐述光耦反馈控制环路的稳定性设
计，包括设计方法、步骤及典型示例；最后给出提升相位裕量的设计实例。关键词：光耦；反馈控制环路；稳定性设计；波特图；相位裕量
电压调整率、负载调整率、瞬态响应等技术指标。
利用幅频特性曲线和相频特性曲线即可合并成一幅波特图（ＢｏｄｅＤｉａｇｒａｍ，亦称伯德图），其增益和频率的坐标均采用对数刻度，相位则采用显性刻度。开关电源的波特图示例如图１所示，可为计算
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Ｉ Hale Waihona Puke 增止盆２７０．

反激某电源地控制环路设计

反激某电源地控制环路设计在电源地控制环路的设计中，我们常常希望能够有效地实现对电源的反激，以便更好地保护电源以及与之相关的设备。

下面我将从整体架构、控制策略、保护机制等方面进行详细阐述。

首先，电源地控制环路设计的整体架构是关键。

我们通常采用反激式电源，其中包括输入滤波器、整流电路、能量存储元件、开关元件以及输出滤波器等主要模块。

在设计中，我们需要考虑这些模块之间的互动关系，合理地安排它们的位置和连接方式，以确保整个电源地控制环路能够正常运行并有效反激。

其次，控制策略是电源地控制环路设计中的核心部分。

我们需要选取合适的控制器，并设计恰当的控制算法，以实现对开关元件的控制，以及对输出电压和输入电流的精确调节。

常见的控制策略包括比例积分控制（PI控制）、平均电流模式控制（Average Current Mode Control）等。

我们可以根据具体需求进行选择，并结合实际情况进行调试和优化。

此外，保护机制也是电源地控制环路设计中的重要部分。

我们需要考虑电源过流、过压、过温等异常情况，并设计适当的保护电路来保护电源和相关设备的安全运行。

常见的保护机制包括过流保护、过压保护以及温度保护等。

这些保护机制通常需要在设计中考虑到，并在控制策略中实现对其的检测和触发。

在实际的电源地控制环路设计中，我们还需要考虑一些其他因素。

例如，设计人员应该充分了解相关的电源规范和标准，并确保设计符合相应的要求。

此外，选择合适的元件也是至关重要的。

例如，在开关元件的选取中，我们需要考虑其功率损耗、开关速度等因素，以及与之匹配的驱动电路的设计。

同时，合理地进行功率分配和散热设计也是需要注意的。

总结起来，反激电源地控制环路设计需要合理地设计整体架构，选取适当的控制策略，并设计相应的保护机制。

我们还需要考虑其他因素，如电源规范、元件选取、功率分配和散热设计等。

通过综合考虑这些因素，并进行详细的设计和调试，我们可以实现一个有效地反激电源地控制环路，并保护电源和相关设备的安全运行。

电流模式控制反激变换器反馈环路的设计

电流模式控制反激变换器反馈环路的设计首先要搞清系统稳定所必需的几个条件：系统稳定的原则：A,系统环路总增益在穿越频率（或叫剪切频率，截止频率，交越频率，带宽都是它）处的增益为1或0Db。

高的穿越频率能保正电源快速响应线性和负载的突变，穿越频率受到开关频率的限制，根据采样定理穿越频率必需小于开关频率的一半，因为开关频率可以在输出端开出来，但这个频率必须不被反馈环传递，否则系统将会振荡并如此恶性循环。

实际应用中一般取开关频率的1/4或1/5。

B，在系统在穿越频率处的总相位延迟必需小于（360-45）315度。

45度为相位裕量。

当相位裕量大于45度时，能提供最好的动态响应，高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间获得最少的过冲。

C，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的斜率应为-1过0Db。

因为具有-1增益斜率的电路，相位延迟不会超过90度（这里指的是系统总的开环增益曲线）。

要满足上面的三个准则，必需知道如何计算系统中各环节的增益和相位延迟。

要知道如何计算必需先搞清楚以下几个概念：1．系统的传递函数：系统的传递函数定义为输出变动量除以输入变动量也叫增益。

每一部份的传递函数均为该部份的输出除以输入，也叫该部份的增益。

系统的增益即为各环节部份增益的乘积。

增益可以用数值方式表示也可以用Db（分贝）方式表示。

传递函数由幅值和相位因素组成（幅值也就是增益），并可以在博得图上分别以图形表示。

通常我们要把传输函数因式分解成各因式相乘的形式，以便于得到零点各极点。

2．极点：数学上，在传输函数方程中，当分母等于零时出现极点，在博得图上当增益以-1斜率开始递减时的点为一个极点。

3．零点：数学上，在传输函数方程中，当分子等于零时出现零点，在博得图上当增益以+1斜率开始递增时的点为零点，并伴随着90度的相位超前。

第二种零点，即右半平面零点，增益仍以+1斜率递增，它将引起90度的相位滞后而非超前，设计时应使系统的穿越频率大大低于右半平面零点。

开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计

0 引言设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是很重要的一个部分。

而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。

为了进行稳定性分析，有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。

在频域模型下，波特图提供了一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。

由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象，因此，用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和负载剧烈变化过程）并不完全准确。

好在开关电源一般工作在稳态，实践表明，依据小信号扰动模型设计出的控制电路，配合软启动电路、限流电路、钳位电路和其他辅助部分后，完全能使开关电源的性能满足要求。

开关电源一般采用Buck电路，工作在定频PWM控制方式，本文以此为基础进行分析。

采用其他拓扑的开关电源分析方法类似。

1 Buck电路电感电流连续时的小信号模型为理想开图1为典型的Buck电路，为了简化分析，假定功率开关管S和D1关，滤波电感L为理想电感（电阻为0），电路工作在连续电流模式（CCM）下。

R为滤波电容C的等效串联电阻，R o为负载电阻。

各状态变量的正方向定义如图e1中所示。

图1 典型Buck电路S导通时，对电感列状态方程有L=U－ U o （1）in续流导通时，状态方程变为S断开，D1L=－U（2）o占空比为D时，一个开关周期过程中，式（1）及式（2）分别持续了DT s和（1－D）T s的时间（T s为开关周期），因此，一个周期内电感的平均状态方程为L=D(U－U o)＋(1－D)(－U o)=DU in－U o（3）in稳态时，=0，则DU in=U o。

这说明稳态时输出电压是一个常数，其大小与占空比D和输入电压U in成正比。

由于电路各状态变量总是围绕稳态值波动，因此，由式（3）得L=(D＋d)(Uin＋)－(U o＋) （4）式（4）由式（3）的稳态值加小信号波动值形成。

反激电源设计及应用之六控制环路设计

反激电源设计及应用之六控制环路设计
一、简介
反激式电源是一种恒功率，半桥及全桥输出的稳压、纹波电源，可以实现从几千至几万瓦输出的宽广应用，包括电机控制、无线电等高功率应用。

反激式电源的控制环路是实现功率控制的关键环路，它的设计是控制电源的重要组成部分，能够实现对输出功率的良好控制，从而保证整个电源能够有效、安全的工作。

1、电路示意图
可以看出，反激式电源控制环路的主要电路结构是以电流反馈电路和电压反馈电路为主要组成部分，其中电流反馈电路有助于实现电流负反馈的控制，而电压反馈电路可以有效地控制输出电压，以保证反激式电源的质量。

2、电流反馈控制
电流反馈控制是反激式电源的主要控制环路，它是电源功率控制的基础。

电流反馈控制主要包括电流保护、负反馈控制和电流分配。

电流保护是电源控制的一项基本功能，它可以有效地限制最大输入电流，以保证电源的安全工作。

负反馈控制可以实现对输出电流的可控控制，而电流分配则可以有效平衡输出电流，以保证反激式电源的平衡工作。

3、电压反馈控制
电压反馈控制是电源输出电压的关键控制回路，是保证电源的安全工作的重要手段。

反激电源的控制环路设计

反激电源的控制环路设计反激电源（flyback power supply）是一种常用的开关电源拓扑结构。

反激电源的控制环路设计关键是根据电源的输出要求和负载特性来选择合适的控制策略，并确定合适的控制器参数。

本文将从控制策略和参数选择两个方面来进行详细探讨。

一、控制策略选择1.常规PWM控制：反激电源最常用的控制策略是基于脉冲宽度调制（PWM）的控制。

PWM控制可以通过改变开关管的导通时间来调整输出电压的大小。

可以选择常规的固定频率PWM控制，也可以选择可变频率PWM控制。

固定频率PWM控制简单且稳定，但效率稍低；可变频率PWM控制可以根据负载需求自适应调整频率，提高了效率，但控制复杂度更高。

2. 反馈控制：反激电源还可以根据输出电压的变化来进行反馈控制。

一种常用的方法是采用电流反馈控制策略，通过感测输出电流进行控制。

可以选择基于电流模式控制（current mode control）或者谐振模式控制（resonant mode control）。

电流模式控制具有抗负载波动能力强、稳定性好的特点，但谐振模式控制在高频率应用中效果更好，可提高效率和功率密度。

3. 工作模式控制：反激电源可采用不同的工作模式，如连续导通模式（continuous conduction mode, CCM）和断续导通模式（discontinuous conduction mode, DCM）。

CCM模式适用于大功率和高转换比应用，具有较小的波动度和较好的调整能力；而DCM模式适用于低功率和低转换比应用，具有简单的控制方案和较高的效率。

4.变压器设计：反激电源中的变压器设计对于控制环路的稳定性和性能至关重要。

变压器的选择应综合考虑输出功率、输入电压范围、输出电压波动和负载特性等因素，合理设计变压器的绕组比例、电感大小和匝数等。

二、参数选择1.参考电压设置：参考电压是控制器的基准电压，用于与反馈信号进行比较。

参考电压的选择应根据输出电压的需求和对稳定性的要求来确定。

开关电源稳定性设计

众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。

因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。

在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。

当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。

1 稳定性指标衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。

相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。

增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小(实际是衰减)。

在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。

在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程;另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。

相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。

在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。

工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。

在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。

如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。

如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。

(1)功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器;(2)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大;(3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路内部集成的电压比较器(这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。

pi环路控制器参数设计

pi环路控制器参数设计
设计PI（比例-积分）环路控制器参数涉及选择适当的比例增益和积分时间。

通常，您可以按照以下步骤进行设计：
系统模型分析：了解被控对象的动态特性，获取其传递函数或模型。

这可以通过实验或数学建模获得。

确定性能要求：确定您的系统对于稳态误差、响应时间和阻尼比等方面的性能要求。

比例增益选择：选择比例增益，通常可以通过试错法或使用经验法则（Ziegler-Nichols法则等）进行。

确保增益足够大以快速响应，但避免引起系统不稳定。

积分时间选择：选择积分时间，以确保系统对于长期误差具有足够的抑制力。

开始时，可以将积分时间设为零，逐步增加以观察系统响应。

调整：在实际系统上进行调试，观察并调整控制器参数以满足性能要求。

使用模拟工具或试验台可以帮助优化参数。

稳定性分析：对系统进行稳定性分析，确保所选的控制器参数不引起不稳定振荡或其他问题。

请注意，每个系统都是独特的，因此可能需要进行多次调整和测试以找到最佳的PI控制器参数。

反激电源设计及应用之六控制环路设计

作为应用工程师,每天接触的是电源的设计工程师,发现不管是电源的老手,高手,新手,几乎对控制环路的设计一筹莫展,基本上靠实验.靠实验当然是可以的,但出问题时往往无从下手,在这里我想以反激电源为例子(在所有拓扑中环路是最难的,由于RHZ的存在),大概说一下怎么计算,至少使大家在有问题时能从理论上分析出解决问题的思路.一些基本知识,零,极点的概念示意图:这里给出了右半平面零点的原理表示,这对用PSPICE做仿真很有用,可以直接套用此图.传递函数自己写吧,正好锻炼一下,把输出电压除以输入电压就是传递函数.bode图可以简单的判定电路的稳定性,甚至可以确定电路的闭环响应,就向我下面的图中表示的.零,极点说明了增益和相位的变化.通过对boost和buck-boost建模分析可知，传递函数中含有这样一个零点：随着频率的增加，增益会增加，但相角是减小的。

这个极点无法补偿，只能在设计上避开，即降低带宽。

单极点补偿,适用于电流型控制和工作在DCM方式并且滤波电容的ESR零点频率较低的电源.其主要作用原理是把控制带宽拉低,在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180度以前使其增益降到0dB. 也叫主极点补偿.双极点,单零点补偿,适用于功率部分只有一个极点的补偿.如:所有电流型控制和非连续方式电压型控制.三极点,双零点补偿.适用于输出带LC谐振的拓扑,如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑.注:2,3中公式里面根据实际情况有些简化.一般C2<针对((整个环路的直流增益在低频时越高越好,这样一是可以抑制输入电压的低频噪声,如您所说的市电100Hz;二是可以使得输出电压相对于参考电压的直流误差减小.零极点的主要作用就是为了增加低频时的增益.))提出一点我的疑惑:C1和R2串联是用来抑制低频时的100HZ纹波的,在低频时增益是Xc1/R1,也就是1/(R1C1s),增加了一个零极点,BODE图中幅频特性曲线应该是-20DB,增益应该变小才对啊?在Fz=1/2pi*R2*C1处才变为0DB的.这里为什么极点被大家作为零点理解了?见feedback loop stabilization我错在那里啊?wochCHr“也就是1/(R1C1s),增加了一个零极点”,应该是1/(R1C1s)增加了一个在原点的极点,零点就是零点,极点就是极点,不能混淆.关于-20Db,下面的英文是说往低频时是20DB,增益增大,而我们一般说-20DB是指往高频方向,增益减小,是一样的.上图R1C1形成一个极点,理论上在原点,但受放大器增益的限制,是到不了原点的,作用是提高低频增益,R2C1形成零点,提升某一点的相位,R2C2(忽略C1的影响,频率较高时C1的阻抗很小,近似于短路)形成一个高频极点,一般目的是来衰减噪音和开关频率的影响,提高增益裕度.C1的主要作用是和R2提升相位的.当然提高了低频增益.在保证稳定的情况下是越小越好. C2增加了一个高频极点,降低开关躁声干扰.环路稳定的标准.只要在增益为1时(0dB)整个环路的相移小于360度,环路就是稳定的.但如果相移接近360度,会产生两个问题:1)相移可能因为温度,负载及分布参数的变化而达到360度而产生震荡;2)接近360度,电源的阶跃响应(瞬时加减载)表现为强烈震荡,使输出达到稳定的时间加长,超调量增加.如下图所示具体关系.所以环路要留一定的相位裕量,如图Q=1时输出是表现最好的,所以相位裕量的最佳值为52度左右,工程上一般取45度以上.如下图所示:这里要注意一点,就是补偿放大器工作在负反馈状态,本身就有180度相移,所以留给功率部分和补偿网络的只有180度.幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的,所以设计时一般不用特别考虑.由于增益曲线为-20dB/decade时,此曲线引起的最大相移为90度,尚有90度裕量,所以一般最后合成的整个增益曲线应该为-20dB/decade部分穿过0dB.在低于0dB带宽后,曲线最好为-40dB/decade,这样增益会迅速上升,低频部分增益很高,使电源输出的直流部分误差非常小,既电源有很好的负载和线路调整率.Vo/Vin=G(s)/(1+T(S))=G(S)/T(S) [T(S)》》1], G(S)为输出对输入变化的传递函数,其低频值就是输出与输入的关系,T(S)为整个控制部分的开环增益,也就是下面的3个例子中的最后合成的增益曲线.由于T(S)很大,所以抑制效果很好.只要大于零就稳定.即使小于零也能稳定,但这种稳定是不可靠的,叫条件稳定.四, 如何设计控制环路?经常主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计.我们的前提就是假设主功率部分已经全部设计完成,然后来探讨环路设计.环路设计一般由下面几过程组成:1) 画出已知部分的频响曲线.2) 根据实际要求和各限制条件确定带宽频率,既增益曲线的0dB频率.3) 根据步骤2)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点.使带宽处的曲线斜率为20dB/decade,画出整个电路的频响曲线.上述过程也可利用相关软件来设计:如pspice, POWER-4-5-6.一些解释:已知部分的频响曲线是指除Kea(补偿放大器)外的所有部分的乘积,在波得图上是相加.环路带宽当然希望越高越好,但受到几方面的限制:a)香农采样定理决定了不可能大于1/2 Fs; b)右半平面零点(RHZ)的影响,RHZ随输入电压,负载,电感量大小而变化,几乎无法补偿,我们只有把带宽设计的远离它,一般取其1/4-1/5;c)补偿放大器的带宽不是无穷大,当把环路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制,及电容零点受温度影响等.所以一般实际带宽取开关频率的1/6-1/10五,反激设计实例.条件: 输入 85-265V交流,整流后直流100-375V输出 12V/5A初级电感量 370uH初级匝数:40T,次级:5T次级滤波电容1000uF X 3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆下面分电压型和峰值电流型控制来设计此电源环路.所有设计取样点在输出小LC前面. 如果取样点在小LC后面,由于受LC谐振频率限制,带宽不能很高.1) 电流型控制假设用3842,传递函数如下此图为补偿放大部分原理图.RHZ的频率为33K,为了避免其引起过多的相移,一般取带宽为其频率的1/4-1/5,我们取1/4为8K.分两种情况:A) 输出电容ESR较大输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较低,这样在8K处的相位滞后比较小.Phanse angle = arctan(8/1.225)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= --22度.另外可看到在8K处增益曲线为水平,所以可以直接用单极点补偿,这样可满足-20dB/decade 的曲线形状.省掉补偿部分的R2,C1.设Rb为5.1K, 则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.8K处功率部分的增益为 -20* log(1225/33)+20* log19.4 = -5.7dB因为带宽8K,即8K处0dB所以8K处补偿放大器增益应为5.7dB, 5.7-20* log( Fo/8)=0Fo为补偿放大器0dB增益频率Fo= 1/(2*pi*R1C2)=15.42C2= 1/(2*pi*R1*15.42)=1/(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF相位裕度: 180-22-90=68 度鹅兄好眼力,果然错了.R4应该放到Vref和817之间.输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较高,这样在8K处的相位滞后比较大. Phanse angle = arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= -47度.如果还用单极点补偿,则带宽处相位裕量为180-90-47=43度.偏小.用2型补偿来提升. 三个点的选取,第一个极点在原点,第一的零点一般取在带宽的1/5左右,这样在带宽处提升相位78度左右,此零点越低,相位提升越明显,但太低了就降低了低频增益,使输出调整率降低,此处我们取1.6K.第二个极点的选取一般是用来抵消ESR零点或RHZ零点引起的增益升高,保证增益裕度.我们用它来抵消ESR零点,使带宽处保持-20db/10 decade 的形状,我们取ESR零点频率5.3K数值计算:8K处功率部分的增益为 -20* log(5300/33)+20* log19.4 = -18dB因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB所以8K处补偿放大器增益应为18dB, 5.3K处增益=18+20log(8/5.3)=21.6 dB水平部分增益= 20logR2/R1=21.6 推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2 推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1 推出 C1=1/ (2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.相位回复109帖fo 为LC谐振频率,注意Q值并不是用的计算值,而是经验值,因为计算的Q无法考虑LC串联回路的损耗(相当于电阻),包括电容ESR,二极管等效内阻,漏感和绕组电阻及趋附效应等.在实际电路中Q值几乎不可能大于4—5.由于输出有LC谐振,在谐振点相位变动很剧烈,会很快接近180度,所以需要用3型补偿放大器来提升相位.其零,极点放置原则是这样的,在原点有一极点来提升低频增益,在双极点处放置两个零点,这样在谐振点的相位为-90+(-90)+45+45=-90.在输出电容的ESR处放一极点,来抵消ESR的影响,在RHZ处放一极点来抵消RHZ引起的高频增益上升.元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.兰色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.如果相位裕量不够时,可适当把两个零点位置提前,也可把第一可极点位置放后一点.同样假设光耦CTR=1,如果用CTR大的光耦,或加有其他放大时,如同时用IC的内部运放,只需要在波得图上加一个直流增益后,再设计补偿部分即可.这时要求把IC内部运放配置为比例放大器,如果再在内部运放加补偿,就稍微麻烦一点,在图上再加一条补偿线结束.我想大家看完后即使不会计算,出问题时也应该知道改哪里.“在RHZ处放一极点来抵消RHZ引起的高频增益上升.”请问RHZ是由什么引起的啊?谢谢!这个说起来还是满复杂的,我们假设电源工作在CCM状态,负载突然加大,整流管的电流应该加大才对,正激电路确实是这样,但在反激电路里,控制部分会使脉宽突然加大,这样流过整流管的电流会瞬时减小,经过几个周期后才达到原来的值.负载加大,整流管电流减小,在相位上表现为滞后,所以称为RHZ.。

开关电源控制环路设计(初级篇)

开关电源控制环路设计（初级篇）电源联盟---高可靠电源行业第一自媒体在这里有电源技术干货、电源行业发展趋势分析、最新电源产品介绍、众多电源达人与您分享电源技术经验，关注我们，搜索微信公众号：Power-union，与中国电源行业共成长！开关电源控制环路设计（初级篇）1、环路和直流稳压电源的关系稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？原文档:开关电源控制环路设计（初级篇）下载方法：请看文章底部第一条留言2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■ 相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■ 增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。

■ 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。

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。

传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。

把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。

控制环路设计原则

反激型电源中的控制环路的设计经常主电路是根据应用要求设计的，设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。

假设主功率部分已经全部设计完成,然后来探讨环路设计。

环路设计一般由下面几过程组成：1）根据实际要求和各限制条件确定带宽频率，既增益曲线的0dB 频率。

2）画出已知部分的频响曲线。

3) 根据步骤1)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点.使带宽处的曲线斜率为－1,画出整个电路的频响曲线。

首先我们应该明白系统稳定的要求：1．在截止频率Fco （开环增益为1）处，总开环相位延迟必须小于180度,一般留有45度裕量.2．为防止-2的增益斜率的电路相位快速变化,系统的开环增益曲线在Fco 附近的斜率应为—1.系统的各部分框图如下：图1上图包括了一下几个模块，其中:ˆˆV V G K EA =，为误差放大器传递函数; RE OC V V A ˆˆ'=，光耦电路的增益； CVC V V G ˆˆ0=,控制电压到输出电压的传递函数已知部分的频响曲线是指除G EA（补偿放大器）外的所有部分的乘积，在BODE图上是相加。

首先确定剪切频率F CO。

环路带宽当然希望越高越好,但受到几方面的限制：a)为了保证系统稳定,根据采样定理，剪切频率F CO必须小于开关频率的1/2，但实际上，F CO必须远远小于开关频率的1/2，否则在输出中将会有很大的纹波。

b）如果电路工作在CCM模式下，则存在着右半平面零点（RHZ）。

这个零点的影响,RHZ随输入电压,负载，电感量大小而变化，几乎无法补偿，我们只有把带宽设计的远离它，一般取其1/4—1/5；c）补偿放大器的带宽不是无穷大，当把环路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制，及电容零点受温度影响等。

所以一般实际带宽取开关频率的1/6-1/10。

选定F CO后，在F CO处的T(总体传函)的增益为0，则G EA在F CO处的增益必须为G VC A OC在此处增益的倒数。