开关电源控制环路分析
开关电源环路设计与实例详解
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第六章
反馈环路的稳定
的时刻开始的， 直到三角波结束时刻 ! ! 为止。对于这类芯片， "#$ 芯片输出晶体管导通 （驱动信号由芯片晶体管射极输出） 被触发导通， 这将使 " &’ 增大 时， %"% 型功率晶体管 时， 功率晶体管的导通时间增加。这时， 系统变成正反馈而不是负反馈。
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一、 电路稳定的增益准则
电路稳定的第一个准则是： 在开环增益为 # 的频率 （通常称为剪切频率、 交越频率或 截止频率） 处， 系统所有环节的总开环相位延迟必须小于 /!01 （译者注： 作者表述和我们习 惯表述不一致。在 $*2%图中， 我们一般习惯讨论， 开环传递函数的相位裕量和幅值裕量是 。在剪 指开环传递函数幅频特性 （增益特性） 和相频特性， 不包括负反馈引起的 #301延迟） 切频率处， 总开环相位延迟小于 /!01 （在此频率处， 总开环增益为 #） 的角度， 称为相位裕 量。 为了使系统中各器件工作在最恶劣的情况下时， 仍然保持稳定， 通常的设计准则是， 使系统至少有 /41 5 641的相位裕量。
图 # $ % （ &） 开关整流 ’( 滤波器的幅频特性； （ )） 开关整流 ’( 滤波器的相频特性
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第六章
反馈环路的稳定
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开关电源中的比较常见的双重环路及其应用
开关电源中的比较常见的双重环路及其应用
工程师都知道，开关电源中离不开环路设计。
环路影响到开关电源的诸多性能指标，譬如输出纹波，动态特性，稳定性，保护特性等。
这篇文章将从下面四个方面讲一讲开关电源中的比较常见的双重环路及其应用：
1.单电压环与单电流环
2.电压环和电流环的双环竞争
3.电压外环电流内环
4.两种双环控制在车载电源产品中的应用
一、单电压环与单电流环
闭环就是通过对被控制变量进行负反馈与设定值进行比较，得到他们之间的偏差，然后通过控制偏差，来实现被控变量稳定在设定值附近。
生活中最常见的一个负反馈闭环就是骑自行车，如果我们想走一条直线，而实际往左偏了，就会将车把手往右调整，如果往右偏了，就往左调整。
最后肯定稳定在这条想走的路线的附近。
如果自行车整个过程一直都是向左偏离一个角度，这个就是静差，也叫稳态误差。
如果自行车稳定在设定路线的左右偏差一点，这个就是误差摆幅，有些场景下也叫纹波峰峰值。
车辆一直行使在设定路线附近，而且偏差小，遇到紧急避让的情况下（动态扰动）也绝不摔倒——这就是好的环路设计。
在比较简单的开关电源中，只需要一个单闭环就可以实现产品的恒压或者恒流输出。
对于恒压源，只需要控制输出电压稳定，对于恒流源只需要控制输出电流稳定。
这里通过最常见的buck电路的单电压闭环和单电流闭环来来分析一下。
以最常见的PI控制作为补偿控制环节。
1）其电压单环的控制闭环框图如下：其中Kadc为采样及反馈环节，Plant。
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。
开关电源反馈环路设计
开关电源反馈环路设计开关电源是一种将输入直流电压转换为所需输出电压的电源装置。
为了实现稳定可靠的输出电压，开关电源需要建立反馈环路进行控制。
开关电源的反馈环路主要包括内部反馈环路和外部反馈环路。
内部反馈环路是指内部电路中的反馈控制电路，用于控制开关管的导通与截止，以维持输出电压的稳定。
外部反馈环路是指从输出端以回路的形式连接到内部反馈电路，通过比较输出电压与参考电压的差异，产生一个控制信号，用于调整开关电源的开关时间和频率，从而调整输出电压。
设计开关电源的反馈环路时，需要考虑以下几个方面：1.选择合适的参考电压源：参考电压源是反馈环路的重要组成部分，它提供一个稳定的参考电压，用作与输出电压进行比较的基准。
一般可选择使用稳压二极管、参考电压芯片或者精密电位器来作为参考电压源。
2.设计错误放大器：错误放大器是反馈环路中的核心部分，它承担着将输出电压与参考电压进行比较的作用，并产生一个误差信号。
常见的错误放大器有比较器、运算放大器等。
在设计选择错误放大器时，需要考虑它的稳定性、带宽、输入阻抗等因素。
3.设计补偿网络：由于开关电源在转换过程中存在一定的延迟、输出的电压下降等因素，所以需要通过补偿网络来减小这些不稳定因素对输出电压的影响。
常见的补偿网络包括零点补偿网络和极点补偿网络。
零点补偿网络主要通过增加相位较大的零点，来提高系统稳定性；极点补偿网络主要通过增加相位较小的极点，来提高系统的相位裕度。
4.设计输出滤波器：开关电源的输出电压通常包含一定的纹波，需要通过输出滤波器来降低纹波，使输出电压更加稳定。
输出滤波器一般由电感、电容和电阻组成，通过调整它们的数值和组合方式，可以实现对纹波的去除或衰减。
在进行开关电源反馈环路的设计时，还需要进行一系列的仿真和实验，包括频率响应的模拟分析、稳态和动态的性能测试等，以确保设计的反馈环路能够实现对输出电压的稳定控制。
总之，开关电源的反馈环路设计是一项复杂的任务，需要综合考虑电源的性能要求、稳定性要求和实际应用需求等因素，通过选择适当的参考电压源、设计错误放大器、补偿网络和输出滤波器等，来实现对输出电压的稳定控制。
开关电源环路设计及实例详解
开关电源环路设计及实例详解一、开关电源的基本原理开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源，其基本原理是通过开关管控制变压器的工作状态，从而实现对输入交流电进行变换、整流和稳压的过程。
开关电源具有输出功率大、效率高、体积小等优点，因此被广泛应用于各种电子设备中。
二、开关电源环路的组成1. 输入滤波器：用于滤除输入交流电中的高频噪声和杂波信号，保证后续环节能够正常工作。
2. 整流桥：将输入交流电转换为直流电信号。
3. 直流滤波器：用于滤除直流信号中的纹波和杂波信号，保证输出稳定。
4. 开关变换器：通过控制开关管的导通和截止状态来控制变压器的工作状态，从而实现对输入信号的变换。
5. 输出稳压器：用于对输出直流信号进行稳压处理，保证输出恒定。
三、开关电源环路设计步骤1. 确定输出功率和输出电压范围。
2. 选择合适的变压器。
3. 设计整流桥和直流滤波器。
4. 设计开关变换器，包括选择合适的开关管和控制电路。
5. 设计输出稳压器，包括选择合适的稳压芯片和反馈电路。
6. 进行整个电路的仿真和优化。
7. 进行实际电路的搭建和调试。
四、开关电源环路设计实例以12V/5A开关电源为例，进行具体设计。
1. 确定输出功率和输出电压范围：输出功率为60W，输出电压范围为11-13V。
2. 选择合适的变压器：根据需求选择带有多个二次侧绕组的变压器，其中一个二次侧用于提供控制信号，另一个二次侧用于提供输出信号。
通过计算得到变压比为1:2。
3. 设计整流桥和直流滤波器：采用全波整流桥结构，并选用大容量滤波电容进行直流滤波处理。
4. 设计开关变换器：选用MOS管作为开关管，并采用反激式结构进行设计。
控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）技术进行控制。
同时，在输入端加入输入滤波器进行滤波处理。
5. 设计输出稳压器：选用LM2576芯片进行稳压处理，通过反馈电路控制输出电压。
同时，加入输出滤波电容进行滤波处理。
6. 进行整个电路的仿真和优化：通过仿真软件进行各个环节的仿真和优化，保证整个电路的性能符合要求。
开关电源环路稳定的试验方法
6.5 开关电源环路稳定的试验方法前面频率特性分析方法是以元器件小信号参数为基础，同时在线性范围内，似乎很准确。
但有时很难做到，例如电解电容ESR 不准确且随温度和频率变化；电感磁芯磁导率不是常数，还有由于分布参数或工艺限制，电路存在分布参数等等，使得分析结果不可能完全吻合，有时甚至相差甚远。
分析方法只是作为实际调试的参考和指导。
因此，在有条件的情况下，直接通过测量运算放大器以外的环路的频率响应，根据6.4节的理论分析，利用测得的频率特性选择Venable 误差放大器类型，对环路补偿，并通过试验检查补偿结果，应当说这是最直接和最可靠设计方法。
采用这个方法，你可以在一个星期之内将你的电源闭环调好。
前提条件是你应当有一台网络分析仪。
6.5.1 如何开环测试响应桥式、半桥、推挽、正激以及Buck 变换器都有一个LC 滤波电路，输出功率电路对系统性能影响最大。
为了讨论方便，以图6.31为例来说明测试方法，重画为图 6.48(a)。
电路参数为：输入电压115V ，输出电压为5V ，如前所述，滤波电感和电容分别为L =15μH ，C =2600μF ，PWM 控制器采用UC1524,它的锯齿波幅值为3V ，只用两路脉冲中的一路，最大占空比为0.5。
为了测量小信号频率特性，变换器必须工作在实际工作点：额定输出电压、占空比和给定的负载电流。
从前面分析知道，如果把开关电源看着放大器，放大器的输入就是参考电压。
从反馈放大器电路拓扑来说，开关电源的闭环是一个以参考电压为输入的电压串联负反馈电路。
输入电源的变化和/或负载变化是外界对反馈控制环路的扰动信号。
取样电路是一个电阻网络的分压器，分压比就是反馈系数，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。
参考电压（相应于放大器的输入电压）稳定不变，即变化量为零，输出电压也不变(5V)。
如上所述，所有三种误差放大器都有一个原点极点。
在低频闭环时，由于原点极点增益随频率减少而增高（即在反馈回路电容）在很低频率，有一个最大增益，由误差放大器开环增益决定。
反激开关电源设计之环路分析
反激开关电源设计之环路分析频域分析是开关变换器的设计难点，困扰着不少电源工程师，芯朋微技术团队从工程应用、理论建模和软件仿真三方面入手，结合最新的反馈控制技术，为大家揭开反激开关电源频域分析设计的神秘面纱！1SSR与PSR架构对比SSR直接采样输出电压，无静差控制；PSR采样供电绕组，估算输出电压，有静差控制。
SSR对变压器工艺要求不高；PSR对变压器工艺要求高，通常需要R3减小漏感振荡和R2加速断开VDD回路。
SSR环路补偿器外置；PSR环路补偿器集成于芯片。
SSR环路不稳通常由环路补偿器设置不当引起；PSR环路不稳通常由采样引起。
2闭环系统稳定条件闭环系统稳定的条件是开环传递函数T cPvK不为-1，在伯德图上定义了相位裕量和增益裕量来判断稳定性。
3稳定性判断方法建模法利用状态空间平均法或电路平均法推导出系统各个环节的传递函数，用相关软件绘出开环传递函数的Bode图。
仿真法利用仿真软件的AC Sweep功能，扫描出开环传递函数的Bode图。
测量法利用频率响应分析仪在电源反馈回路注入不同频率信号调制变换器，并获取电源输出端的响应信号，从而测量出开环传递函数的Bode图。
4控制对象建模 PWM调制PWM控制：固定开关频率，调整导通占空比控制输出电压。
功率管的开通时刻由内部时钟决定，当Ip电流等于参考电流Ipref(电压环产生)时关断功率管。
利用平均法可推导出控制对象传递函数：CCM控制对象PvDCM控制对象PvPFM调制PFM控制：固定Ipref，调整开关频率控制输出电压。
利用电路平均法可推导出控制对象传递函数：DCM控制对象5环路补偿器6SSR与PSR稳定性对比SSR由于环路补偿器外置，且采样环节工作在线性区，可通过FRA法，准确得到开环传递函数Bode图；PSR由于环路控制器集成，且反馈回路工作在强非线性区(脉冲采样变压器辅助绕组，估算输出电压)，FRA法不再适用。
SSR控制对象只有90度相移(忽略高频右半平面零点)，但叠加环路补偿器的纯积分的90度相移，存在不稳定可能(-180度)，需靠合理设计零点来提升相位裕量和增益裕量；PSR环路补偿器由于没有纯积分，开环传递函数达不到180度相移，不存在环路上的不稳定情况(假定芯片内置极点合理)。
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。
开关电源环路增益相位裕量测量与稳定性分析
开关电源环路增益相位裕量测量与稳定性分析摘要：本文从小信号的角度来看通过对反馈环路注入一扰动信号对整个产品造成的影响，来衡量产品的稳定性，再利用环路分析仪检测环路做定量的分析，其结果以便于日后工作的改进，从而提高产品的可靠性。
关键词：反馈环路、带宽、相位裕量、增益裕量、稳定性、PSM1700、过零点title: a mearurement of swtich power supply based on FRAABSTRACT:THIS article describes the affection to the whole product, which is because of injecting a perturbation signal into feedback loop,to evaluate the stability, then by the use the frequency response analyzer equepiment gets an accurate result ,and the result is used for improvement ,as well as improve the products' reliablity.keywords:feedback loop bandwidth phase margin gain margin stablity随着电子，自控，航天，通讯，医疗器械等技术不断向深度和广度的发展，势必要求为其供电的电源要有更高的稳定性，即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负载响应。
而这些因素都和控制环路有关，控制环路一般工作在负反馈状态，称之为电压负反馈。
如果变换器中没有用到反馈控制环路（即下图1中H部分），其传递函数一般为其中G为输入滤波、功率变换、整流滤波部分等因数的乘积（因为其为级联的形式，所以本文中以总的乘积因子G来表示），可以看出输出随着输入的变化而成线性的变化，但是由于整流、滤波网络在整个时域的非线性，实际上这种变化应该是近似于线性，所以当输入电压改变的时候并不能很好的起到稳压的作用；如果反馈环路设计的不好，对于负载的瞬态改变，环路不能做出及时恰当的调整，那么输出电压瞬间会偏高或者偏低，甚至有可能造成电源系统的振荡，对下一级构成损坏。
DC-DC电源环路测试详解
电源环路测试目录1引言 (1)2电源环路测试介绍 (1)2.1波特图 (1)2.2环路增益 (2)2.3注入点 (2)2.4环路注入 (3)3电源环路分析仪测试 (4)3.1 PSM1700介绍 (4)3.2面板介绍 (5)4测试环境搭建 (8)5测试执行 (9)6注意事项 (11)1引言开关电源系统所有性能表现的中心是反馈控制系统。
反馈控制系统时刻调整着能量转换，保持电源系统的输出电压保持恒定，以满足负载所要求的功率变化。
电源环路分析仪可以很好的测出开路传递函数，测试结果以波特图形式呈现。
2电源环路测试介绍2.1波特图对于开关电源的反馈环路性能，要进行的测试项如下：1.幅频响应曲线，下图中黑线；2.相频响应曲线，下图中红线；3.穿越频率(Crossover frequency)：幅频曲线穿越0dB处的频率点，下图中为6.5kHz；4.相位裕量(Phase margin)：相频曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差，下图中为92°；(相位裕量表示电源系统保持稳定条件下所能承受的最大最大相位扰动，相位裕量越大，系统越稳定，但同时时间响应速度减慢，因此必须要有一个比较合适的相位裕量。
)5.增益裕量(Gain margin)：幅频曲线在相频曲线达到-180度的频率处对应的增益，下图中为67dB。
增益裕量表示控制系统保持稳定条件下所能承受的最大增益扰动。
波特图我们只需要把环路断开就可以得到环路增益。
下图展示了如何在反馈系统中断开环路，理论计算时你可以从任何地方断开环路，不过我们通常选择在输出和反馈之间把环路断开。
断开环路后，我们在断点处注入一个测试信号i，i经过环路一周后到达输出得到信号y，y 和i的数学关系式就是我们要求的环路增益。
断开环路示意图2.3注入点注入点如何选择？现实中反馈环路往往起到了稳定电路静态工作点的作用，所以我们不能简单的断开环路去测环路增益。
反馈环断开后，电路因为输入失调等原因，输出会直接饱和，这种情况下无法进行任何有意义的测量。
开关电源环路系统的原理(一)
开关电源环路系统的原理(一)开关电源环路系统1. 介绍•开关电源环路系统是一种将交流电源转换为直流电源的电路系统。
•开关电源的环路系统是指由开关电源控制器、功率开关和输出滤波器等组成的闭环反馈控制系统。
2. 开关电源的工作原理•开关电源环路系统使用开关器件（如晶体管或MOSFET）进行开关操作，通过不断开关来控制输入电源的输出。
•工作周期内包含两个状态：开和关。
在开的状态下，输入电源的能量储存在电感中；在关的状态下，通过电路设计实现能量的转移和输出。
3. 开关电源环路系统的组成部分开关电源控制器•开关电源控制器负责监测和控制开关电源的运行状态。
•它通常由微控制器或专用芯片实现，可以监测输出电压、电流和温度等参数，并根据需要调整开关操作和控制回路。
功率开关•功率开关是开关电源环路系统的核心部件，它负责打开和关闭电路，控制能量的流动。
•常见的功率开关器件有晶体管、MOSFET和IGBT等，根据应用需求选择合适的器件。
输出滤波器•输出滤波器用于平滑开关电源的输出电压，将其转换为稳定的直流电压。
•常见的输出滤波器包括电感和电容，通过它们的组合设计，可以减小输出波动和噪声。
4. 开关电源环路系统的工作流程1.开关电源控制器读取输出电压和电流的反馈信息。
2.根据设定值和反馈信息，控制器计算并生成适当的控制信号。
3.控制信号被发送到功率开关，使其在合适的时机开关。
4.开关操作导致能量从输入电源转移到输出滤波器。
5.输出滤波器将转换后的直流电压传递到负载。
5. 开关电源环路系统的优势•高效率：由于开关操作的特性，开关电源环路系统通常具有较高的转换效率。
•稳定性：通过闭环反馈控制，开关电源环路系统可以实现良好的稳定性和响应性。
•尺寸小巧：相对于传统的线性电源系统，开关电源环路系统可以实现更小巧的设计。
6. 总结•开关电源环路系统是一种将交流电源转换为直流电源的闭环反馈控制系统。
•它由开关电源控制器、功率开关和输出滤波器等组成。
开关电源环路设计的一些看法
其实可以先看看自动控制PID那章。
P调节。
就是纯电阻，无C,L、这个调节就是个衰减，或者放大。
使得系统有静差。
开环增益加大，稳态误差减小，fc增大，过渡过程缩短，系统稳定性变差。
这种很少很少用。
改进一下，PI调节：消除静差。
打个比方，就是431的R和K之间放置2个元件，R串C。
好处就是提供了负的相角，因为有了一个极点一个零点。
极点在0点。
使得相角裕量减小，所以，降低了系统的相对稳定性。
但是，穿越频率fc有所增加。
PD调节。
这个用的不多。
PD调节增大了系统的fc，导致系统响应加快，相位裕量增加。
高频时有噪声。
PID调节：低频时PI，高一点时PD调节。
低频时提升静态性能，高频时提升稳定性以及响应速度。
反激中用的比较多的是改进型PI，也就是type II和III。
那么，理想的传函应该是什么样子：1.低频段：高增益，以减小静差；2.中频段：fc附近，-20db，确保足够的相位裕量；3.高频段：增益要小，以降低开关谐波极其噪声的影响。
如果此时-40db下降都无法解决，那么，再加低通滤波器。
如果此时TYPE II不足以提供足够的相位裕量，那么，上TYPE III试试。
归纳一下：低频段：稳态性能；中频段：动态性能；高频段：抗干扰性能。
fc大，则快速性好，但是抗干扰能力下降，中频段最能反映系统的稳定性，快速性。
小信号分析时，分压网络里的那个接地的电阻啥时候在传递函数里出现，啥时候不需要考虑吧。
你用哪个运放组成误差放大网络？是431的，还是PWM控制器本身自带的？这是一个问题。
可以简单地理解PID作用的分工：P：粗调I：细调D：预测。
分压后，直接将反馈电压送到反相端，分压网络的下端电阻，在交流分析中，是不考虑的。
如果反馈电压通过电阻输入给反向端，分压网络的下端电阻，是要考虑进去交流分析的。
正解。
旅长这句话说的很精彩，PID调节：低频时PI，高一点时PD调节。
以前还真没注意到这个细节，类似于滞后-超前补偿的说法。
只是现实中的补偿器，无论是2型还是3型，都不是单纯的pid。
buck .doc环路分析
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为理想开关，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 e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1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 in－ U o （1）S断开，D1续流导通时，状态方程变为L=－U o （2）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 in－U o)＋(1－D)(－U o)=DU in－U o（3）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)(U in＋)－(U o＋) （4）式（4）由式（3）的稳态值加小信号波动值形成。
开关电源环路设计(详细)
23
1 （6-55） 1+ j f f esr esr （ / 2πL） 。 在此频率范围， 感抗以 20dB/dec 增加， 而 ESR 保持常数， 增益以-20dB/dec 式中转折频率 fesr＝Resr 斜率下降。 =
幅频特性由-40dB/dec 转为-20dB/dec 斜率点为 fesr,这里电容阻抗等于 ESR。ESR 提供一个零点。转 变是渐近的，但所示的突然转变也足够精确。 2. PWM 增益 并定义为 Gm。 图 6.32(a)中由误差放大器输出到电感输入电压 Uy 的平均值 UaU 的增益是 PWM 增益， 三 一般电压型控制芯片中误差放大器的输出 Uea 与内部三角波比较产生 PWM 信号调整输出电压。 角波的幅值 0~3V(实际上是 0.5~3V)。如果芯片控制推挽（桥式、半桥）电路，变压器频率是芯片频率 的一半，占空比 D 随误差放大器输出可以在 0~1 之间改变。如果是正激，只采用一半脉冲，占空度在 0~0.5 之间改变。 在图 6.34b 中，当 Uea＝0，D=ton/T=0，在 Uy 的宽度为零， UaU 也为零。如果 Uea 移动到 3V，在三 角波的峰值，ton /T =D=0.5，Uy 的平均值就是 UaU＝（Usp-1）D，其中 Usp 是变压器次级电压，1 为整流 二极管压降。则调制器的直流增益为 UaU 与 Uea 的比值
Gs =
Us R2 = U o R1 + R2
（6-57）
如果输出 5V，采样电阻 R1=R2，Us（Uref）与 Uo 之间的增益为-6dB，即 1/2。 4. 输出 LC 滤波器加上 PWM 和采样网络的总增益 为了得到环路增益波特图，我们先将输出 LC 滤波器增益 Gf、PWM 增益 Gm 和采样网络增益 Gs 之 和 Gt 如图 6.33 所示。从 0Hz（直流）到频率 f 0 = 1 2π LC 的增益是 Gm+Gs，这里 LC 滤波器增益为 零。在 f0 转折为-40dB/dec 斜率，并保持此斜率一直到 fesr，这里电容阻抗等于 Resr。在这个频率它转折 为斜率-20dB/dec。由这个曲线可以确定误差放大器的幅频和相频特性以满足稳定环路的两个判据。 6.4.3 误差放大器的幅频特性整形 如果将开关电源的闭环作为一个放大器来研究，放大器输入信号为开关电源的参考电压。从负反 馈组态来说是一个电压串联负反馈。 这里误差放大器是一个同相放大器。 从误差放大器的同相端到误差 放大器输出、 PWM 发生、 电源输出和取样返回到误差放大是反相输入端， 在任何频率在增益下降到 0dB 时附加相位移小于 135°。以下来讨论误差放大器的补偿。为讨论方便，取样信号加在反相端，放大器 输出总是反相，反馈信号返回到反相端附加相移不能超过 135°,即 45°相位裕度。 第一步首先建立穿越频率 fc0，在此频率总增益为 0dB。然后选择误差放大器的增益，迫使总环路 增益在 fc0 为 0dB。 下一步设计误差放大器的增益斜率， 以使得总开环增益在 fc0 以斜率-20dB/dec 穿越 （图 6.18） 。最后，调整幅频特性达到希望的相位裕度。 采样理论指出，为了闭环的稳定，fc0 必须小于开关频率的一半。但必须远远小于开关频率，否则 有较大幅值的开关频率纹波。一般经验取 fc0 为开关频率的 1/4~1/5。 参考图 6.33 中除误差放大器以外的环路增益 Gt 是 LC 滤波器增益 Gf、调节器增益 Gm 和检测网络 增益 Gs 之和。假定滤波电容有 ESR，在 fesr 由斜率-40dB/dec 转折为-20dB/dec。假定 fc0＝1/5fs，fs－开 关频率。要使 fc0 增益为 0dB，误差放大器的增益应当等于 Gt 在此频率读取增益衰减量。 在大多数情况下，滤波电容具有 ESR，且 fesr 低于 fc0。因此在 fc0 的 Gt =Gf+Gm+Gs 的曲线总是斜
环路分析的意义以及注入点的寻找
环路分析的意义以及注入点的寻找开关电源具有非常高的转换效率，已经成为了电源的主流产品。
与此同时，环路分析测试作为其重要的测试方法也越来越被大家所使用。
本文将深入介绍该测试方法的原理和应用。
一、环路测试开关电源是一种典型的反馈控制系统，其有响应速度和稳定性两个重要的指标。
响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时，电源能迅速做出调整的速度。
因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC，其电流会随着逻辑功能的变化而变化，比如FPGA在进行配置时，电流会增大一倍以上。
而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。
为了保证电源稳定输出，不产生跌落或者过冲，就要求电源必须迅速做出调整，使得最终输出的电压没有变化。
而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。
由于电源加入了反馈系统，就可能发生震荡。
如果电源系统的参数没有设置好，就会产生震荡，结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。
导致电源不稳定。
开关电源如下图所示：图 1 开关电源调试从开关电源的框图中可以看出，该系统是通过一个反馈电路，将最终输出的变化反馈给比例电路，经过比例电路的等比例衰减，输入到误差放大器中。
而后误差放大器通过比较该信号和内部参考信号的差异，来驱动后级脉宽调制器等一系列的输出环节，最终与干扰信号相互抵消，从而保证电源的稳定。
那应该如何测量出电源的响应速度和稳定性呢，在早期的调试中，大家会使用一个可变的电子负载来进行测试，但是由于现在的电子负载的变化频率远远低于开关电源的开关频率，该方法逐渐的不被大家所使用。
目前比较常见的测试方式就是环路测试法。
环路测试法就是向反馈回路中注入一个个单一频率的正弦波序列信号，然后根据电源系统的输出情况来判断其对各个频率干扰的调整能力。
其环路响应的Gain越高，就说明电源对该频段的抗干扰能力越强。
环路测试框图如下所示：图 2 环路测试框图从上图可以看出，环路测试实际上是将干扰信号通过反馈电路注入到误差放大器中，而后查看误差放大器加后级输出环节的级联响应。
开关电源环路测试方法
开关电源环路测试方法开关电源环路测试是电子设备生产和维修中常用的一种测试方法。
它用于检测开关电源设计的稳定性和可靠性，以确保设备在正常工作状态下的高效性能。
本文将介绍开关电源环路测试的原理、流程和注意事项，以帮助读者更好地理解和应用这一测试方法。
一、测试原理开关电源环路测试是通过模拟开关电源工作状态，检测输出电压的响应速度和稳定性，以评估电源设计的性能。
测试过程中，通常通过负载器对开关电源进行调节，模拟实际使用的负载条件，然后记录并分析输出电压的波形和稳定性。
二、测试流程1. 准备工作：确保测试设备和测试仪器正常工作，检查开关电源和负载器的接线是否正确。
2. 设置负载条件：根据开关电源的设计要求，设置负载器的电流和电压，以模拟实际工作环境。
3. 开始测试：打开开关电源，记录初始状态下的输出电压和电流数值。
4. 调节负载器：逐渐调节负载器的电流和电压，观察并记录开关电源的响应情况。
5. 数据分析：将记录下来的数据进行整理和分析，观察输出电压的稳定性、响应速度以及负载变化时的变化情况。
6. 结果评估：根据测试结果评估开关电源的设计和性能，并对需要改进的方面提出建议。
三、注意事项1. 安全第一：测试过程中要注意安全操作，确保测试设备和测量仪器接地良好，避免电击等事故发生。
2. 仪器校准：在测试前要确保使用的测量仪器已经进行了校准，以减小测量误差。
3. 稳定等待：在每次调节负载器后，等待一段时间以确保开关电源稳定后进行数据记录和分析。
4. 数据记录：在测试过程中要仔细记录各个负载条件下的输出电压和电流数值，以备后续数据分析和结果评估使用。
5. 结果解释：在评估测试结果时，要考虑到设备的设计要求和实际工作环境，综合判断测试结果的合理性和可操作性。
通过开关电源环路测试，可以评估开关电源设计的稳定性和可靠性，为设备生产和维修提供有价值的参考依据。
在实际应用中，可以根据测试结果进行改进和优化，提高开关电源的性能和可靠性，从而提升整个设备的工作效率和可靠性。
开关电源环路系统的原理
开关电源环路系统的原理开关电源环路系统1. 什么是开关电源环路系统？•开关电源环路系统是一种用于电能转换的电路系统。
•它通过开关器件的开关动作来实现电能的转换，将电源输入的直流电能转换成所需输出的直流电能。
•开关电源环路系统通常由开关电源控制芯片、开关器件、输出滤波电路等组成。
2. 开关电源环路系统的原理开关电源环路系统的工作原理如下：•开关器件开关：开关器件（如MOSFET、IGBT等）通过控制电路中的开关信号，周期性地开关和关断，实现电能的转换。
•电感储能：当开关器件导通时，电感器件吸收输入电源的电能，并将其储存为磁场能量。
•存储电能转移：当开关器件关断时，储存在电感器件中的磁场能量转移至输出端，供给负载使用。
•输出滤波：在输出端，通常配备输出滤波电路，用于滤除开关器件开关时的高频脉冲噪声，使输出电压更为稳定。
3. 开关电源环路系统的特点开关电源环路系统具有以下特点：•高效率：由于开关器件的开关作用，开关电源环路系统能够实现高效的能量转换，相比传统的线性电源，具有更高的功率转换效率。
•稳定性好：开关电源环路系统通过输出滤波电路可以滤除高频噪声，使输出电压稳定性更好。
•体积小：开关电源环路系统一般采用集成化设计，使得整个系统的体积更小，更适合应用于各种电子设备中。
•可调性强：开关电源环路系统可以通过控制芯片来调整输出电压和电流，以适应不同的应用场景。
4. 开关电源环路系统的应用领域开关电源环路系统广泛应用于各个领域，例如：•电子设备：开关电源环路系统常用于计算机、手机、平板电脑等电子设备中，为其提供稳定的电源。
•通信设备：通信设备中的信号传输需要稳定的电源支持，开关电源环路系统能够满足其要求。
•工业自动化：工业自动化系统中对电能转换和稳定性要求较高，开关电源环路系统能够提供可靠的电源支持。
•新能源领域：开关电源环路系统可用于新能源发电设备，如太阳能电池板、风力发电机等。
通过本文，我们了解了开关电源环路系统的原理、特点和应用领域。
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开关电源控制环路分析
摘 要开关电源被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。
同时，开关电源也是反馈回路控制系统，所谓电路反馈，就是指将放大电路的输出量(电压或电流信号)的部分或全部，通过一定方式(元件或网络)返送到输入回路的过程，完成输出量向输入端回送的电路称为反馈元件或反馈网络。
关键词 零极点 幅值裕度 相位裕度
1 引言
稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。
下面先介绍三种控制方式的各种零，极点的幅频和相频特性，再对最常用的反馈调整器TL431的零、极点及特性进行分析。
Topswitch是市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，内部集成了一部分补偿功能，最后分析一个Topswitch设计的电源，对它的环路进行解剖。
2 环路补偿方式及TL431特性
2.1 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。
图1
2.2 双极点，单零点补偿
适用于功率部分只有一个极点的补偿，例如所有电流型控制和非连续方式电压型控制。
图2
2.3 三极点、双零点补偿
适用于输出带LC谐振的拓扑，例如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑。
图3
2.4 TL431输出供电时的零极点特性
TL431是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响。
图4
其中：
（1）
（2）
将(2)代入(1)得到：
从上面的公式可以看到，在输出直接给431供电的情况下，零点的位置在1/[2π(R+R1)C]处，而不是1/(2πRC)。
即使没有R，只接一个C的情况下，零点还是存在，如果R1远大于R，零点的位置主要有反馈网络的上分压电阻决定。
为了抑制输出的开关纹波，有时在后面加一个LC滤波，其谐振频率一般大约为开关频率的1/10-1/20左右，这个频率通常远大于反馈回路的带宽，其影响可以忽略。
3 实例分析
下图是一个典型的Topswitch电源的控制环路，宽范围输入，12V/2.5A输出，原理图如下：
图5
电源的反馈环路图如下：
图6
其开环传递函数为：
KPwr-功率部分传递函数；KLC-输出LC滤波部分传递函数；KFb-反馈分压部分传递函数；Kea-反馈补偿部分和光耦部分传递函数；KMod-调制器部分传递函数。
在做补偿设计前，先计算出K1= KMod ×KPwr × KLC ×KFb的频率特性，根据实际情况确定出需要的设计目标KEa，然后通过设计TL431的相应补偿来完成KEa的要求。
3.1 除补偿部分外的小信号传递函数K1
在此设计中，由于上分压电阻直接接到431基准端，所以Kfb=1。
设计补偿部分，先确定目标带宽，然后再设计补偿部分，使在目标带宽时的相位裕量大于45°，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。
在用Topswitch设计的反激电源中，目标带宽除受到一般反激电源的几个限制外（带宽要小于开关频率的1/2；右半平面零点的1/4；运放增益限制；输出电容类型的选择等），还受到内部7KHz极点的限制，一般不能太高，约1-2KHz。
3.2 TL431部分小信号传递函数
由于TL431用输出供电，其传递函数为：
函数有一个在原点的极点和一个零点：
R6，R9大小决定了增益，由于R9由零点的位置而决定，所以整个增益的大小由调整R6来确定。
CTR为光耦PC817C的实测电流传输比。
补偿部分只有一个极点和零点，它们和Topswitch里面的7kHz极点共同组成了一个π型补偿网络。
7KHz极点用来抵消输出滤波电容零点，衰减噪音和开关纹波的干扰。
3.2 总开环响应
整个环路的开环增益为K1和KEa的乘积，也就是两部分的增益和相位的代数和。
最终计算得到交越频率1.16kHz，相位裕量66.5°，满足环路稳定要求。
4 总结
本文介绍了一些环路补偿的概念和基本设计方法，分析了TL431在输出供电时的小信号特性，再分析了一个具体的Topswitch反激应用的控制环路，同样可以把这些方法来运用到其他拓扑的分析中，在次级用运算放大器做反馈控制时，如果光耦接在运放输出和电源输出之间，TL431的分析方法同样是适用的。
参考文献
[1] Erickson, Robert W, Second version.
[2] PI Engineer Prototype Report: EPR34
[3] PI datasheet: TOP242-250
[4] L.H. Dixon, Closing the Feedback Loop.。