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【10周年】用simplis驗(yàn)證環(huán)路理論(一)

開關(guān)電源的環(huán)路理論,由于理論性太強(qiáng),顯得枯燥乏味,太多的公式讓人眼花繚亂。

但是仿真軟件的應(yīng)用,可以讓人更加直觀的理解這些理論。

關(guān)于基本的環(huán)路理論,和基本拓?fù)涞男⌒盘?hào)模型推導(dǎo)請(qǐng)看fundamentals of power electronics 這本書,如果E文不是很好的可以看徐德鴻老師的電力電子系統(tǒng)建模及控制,這里就不再贅述。

下面的帖子,我用simplis軟件,來一一驗(yàn)證環(huán)路理論的那些公式。

全部回復(fù)(125)
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2013-06-02 12:59

首先我們來看,電壓控制模式,連續(xù)模式的基本拓?fù)洹?/p>

那些基本拓?fù)?,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數(shù)為:

 

三個(gè)基本拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)參數(shù)為

 

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2013-06-02 13:08
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續(xù)模式的基本拓?fù)洹D切┗就負(fù)?,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數(shù)為:[圖片] 三個(gè)基本拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)參數(shù)為[圖片] 

這里我們先看buck電路,可以從以上得到信息:

電壓控制CCM的buck, 從占空比變化到輸出變化的傳遞函數(shù)可以表述為:

1.直流增益為V/D(這里V為輸出電壓,D為占空比,V/D實(shí)際上就是Vin),簡單的說直流增益就是Vin(輸入電壓)

2.增益曲線里只有一對(duì)雙極點(diǎn): .

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2013-06-02 13:21
@sometimes
這里我們先看buck電路,可以從以上得到信息:電壓控制CCM的buck,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數(shù)可以表述為:1.直流增益為V/D(這里V為輸出電壓,D為占空比,V/D實(shí)際上就是Vin),簡單的說直流增益就是Vin(輸入電壓)2.增益曲線里只有一對(duì)雙極點(diǎn):[圖片] .

接下去,畫一個(gè)最簡單的buck電路

 

這是一個(gè)輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負(fù)載為1歐姆,可以保證在CCM模式。

這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環(huán)特性。(u1正端的電壓1V對(duì)應(yīng)占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)

先從理論上來計(jì)算

此buck的直流增益為G=20log50=34db

雙極點(diǎn)在f=1.6Khz

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2013-06-02 13:24
@sometimes
接下去,畫一個(gè)最簡單的buck電路[圖片] 這是一個(gè)輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負(fù)載為1歐姆,可以保證在CCM模式。這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環(huán)特性。(u1正端的電壓1V對(duì)應(yīng)占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)先從理論上來計(jì)算此buck的直流增益為G=20log50=34db雙極點(diǎn)在f=1.6Khz

看一下simplis仿真的結(jié)果

 

看綠色的增益曲線,可以看到直流增益的確在34db左右,而雙極點(diǎn)大概在1.6KHz

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2013-06-02 21:50
@sometimes
看一下simplis仿真的結(jié)果[圖片] 看綠色的增益曲線,可以看到直流增益的確在34db左右,而雙極點(diǎn)大概在1.6KHz
老師開始講課了
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2013-06-03 15:50
@sometimes
接下去,畫一個(gè)最簡單的buck電路[圖片] 這是一個(gè)輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負(fù)載為1歐姆,可以保證在CCM模式。這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環(huán)特性。(u1正端的電壓1V對(duì)應(yīng)占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)先從理論上來計(jì)算此buck的直流增益為G=20log50=34db雙極點(diǎn)在f=1.6Khz

大家都知道,如果輸出電容采用點(diǎn)解電容的話,通常不能忽略電容的ESR,而電容的ESR會(huì)給小信號(hào)模型加入一個(gè)零點(diǎn)。

該零點(diǎn)的位置為: 

加入給上圖電容加入20毫歐的ESR,計(jì)算可得零點(diǎn)位置在16KHz左右。


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2013-06-03 15:51
@sometimes
大家都知道,如果輸出電容采用點(diǎn)解電容的話,通常不能忽略電容的ESR,而電容的ESR會(huì)給小信號(hào)模型加入一個(gè)零點(diǎn)。該零點(diǎn)的位置為:[圖片] 加入給上圖電容加入20毫歐的ESR,計(jì)算可得零點(diǎn)位置在16KHz左右。
 
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2013-06-03 15:53
@sometimes
[圖片] 

看仿真的結(jié)果

 

的確可以看到在16K左右的地方,出現(xiàn)了一個(gè)零點(diǎn)。

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2013-06-04 19:33
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續(xù)模式的基本拓?fù)?。那些基本拓?fù)洌瑥恼伎毡茸兓捷敵鲎兓膫鬟f函數(shù)為:[圖片] 三個(gè)基本拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)參數(shù)為[圖片] 

接下去來看一下CCM的Boost電路

 

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2013-06-04 19:36
@sometimes
接下去來看一下CCM的Boost電路[圖片] 

依然是輸入50V,占空比0.5

根據(jù)上面的公式,

該boost的直流增益為46db左右

在0.8Khz處有雙極點(diǎn)

在20Khz左右處有個(gè)右半平面零點(diǎn)

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2013-06-04 19:38
@sometimes
依然是輸入50V,占空比0.5根據(jù)上面的公式,該boost的直流增益為46db左右在0.8Khz處有雙極點(diǎn)在20Khz左右處有個(gè)右半平面零點(diǎn)

看仿真結(jié)果,是否吻合

 

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2013-06-05 11:10
@sometimes
看仿真結(jié)果,是否吻合[圖片] 

在上圖的波特圖中,可以看到在20Khz左右的確出現(xiàn)了一個(gè)增益特性上翹,相位卻是滯后的右半平面零點(diǎn)。

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2013-06-05 11:30
@sometimes
在上圖的波特圖中,可以看到在20Khz左右的確出現(xiàn)了一個(gè)增益特性上翹,相位卻是滯后的右半平面零點(diǎn)。

如果同樣加入ESR

 

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2013-06-05 11:36
@sometimes
如果同樣加入ESR[圖片] 

該ESR導(dǎo)致的零點(diǎn)依然在16Khz左右,那么看一下結(jié)果

 

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2013-06-05 15:05
@sometimes
該ESR導(dǎo)致的零點(diǎn)依然在16Khz左右,那么看一下結(jié)果[圖片] 

在增加一個(gè)零點(diǎn)以后,可以看到增益曲線最后變平了。

而相位滯后從原來的270度變?yōu)?80度。

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2013-06-05 17:48
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續(xù)模式的基本拓?fù)洹D切┗就負(fù)?,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數(shù)為:[圖片] 三個(gè)基本拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)參數(shù)為[圖片] 

接下去看buck-boost

 

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2013-06-05 17:54
@sometimes
接下去看buck-boost[圖片] 

從理論計(jì)算來看,直流增益依然是46db,

雙極點(diǎn)在0.8K左右,不過右半平面零點(diǎn)在40Khz左右

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2013-06-05 18:52
@sometimes
從理論計(jì)算來看,直流增益依然是46db,雙極點(diǎn)在0.8K左右,不過右半平面零點(diǎn)在40Khz左右

看下仿真結(jié)果,的確是吻合

  

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fairytale
LV.2
20
2013-06-05 19:00
@sometimes
看下仿真結(jié)果,的確是吻合 [圖片] 
好帖頂啊
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2013-06-05 19:01
@sometimes
看下仿真結(jié)果,的確是吻合 [圖片] 
當(dāng)然,由于buckboost的輸出是負(fù)壓,所以在相位圖上,一開始就有一個(gè)180度相位。
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zhenxiang
LV.10
22
2013-06-05 22:48
@sometimes
當(dāng)然,由于buckboost的輸出是負(fù)壓,所以在相位圖上,一開始就有一個(gè)180度相位。

好貼頂啊。就是不會(huì)用這個(gè)仿真軟件。如果能導(dǎo)入到PSPICE就好玩了

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2013-06-06 13:20
@sometimes
當(dāng)然,由于buckboost的輸出是負(fù)壓,所以在相位圖上,一開始就有一個(gè)180度相位。

油老師新帖哦~ 

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higel
LV.8
24
2013-06-06 13:45
@sometimes
看下仿真結(jié)果,的確是吻合 [圖片] 
果斷收藏~!
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2013-06-06 13:48
@higel
果斷收藏~!
在油老師的帖子里留下我的倩影
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2013-06-06 18:56

接下去來看三個(gè)基本拓?fù)湓贒CM情況下的小信號(hào)模型(還是電壓控制)

根據(jù)理論,這三個(gè)基本拓?fù)湓贒CM情況下,小信號(hào)模型會(huì)簡化為一階系統(tǒng)(實(shí)際上另外一個(gè)極點(diǎn)和右半平面零點(diǎn)被移到高頻處,接近和高于開關(guān)頻率,所以把他們忽略不計(jì))

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2013-06-06 19:01
@sometimes
接下去來看三個(gè)基本拓?fù)湓贒CM情況下的小信號(hào)模型(還是電壓控制)根據(jù)理論,這三個(gè)基本拓?fù)湓贒CM情況下,小信號(hào)模型會(huì)簡化為一階系統(tǒng)(實(shí)際上另外一個(gè)極點(diǎn)和右半平面零點(diǎn)被移到高頻處,接近和高于開關(guān)頻率,所以把他們忽略不計(jì))

首先來看DCM情況下的電壓傳輸比M(輸出電壓/輸入電壓)

 

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2013-06-06 19:02
@sometimes
首先來看DCM情況下的電壓傳輸比M(輸出電壓/輸入電壓)[圖片] 

這里的Re為

 

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2013-06-06 19:04
@sometimes
這里的Re為[圖片] 

可能圖不是很清楚,我把buck,boost,buckboost的Re

再表述一下:

Re=2L/d(squre)Ts

其中d是管子的開通占空比,Ts為周期。

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2013-06-06 19:13
@sometimes
可能圖不是很清楚,我把buck,boost,buckboost的Re再表述一下:Re=2L/d(squre)Ts其中d是管子的開通占空比,Ts為周期。

那些來看一下小信號(hào)模型中關(guān)鍵參數(shù)

 

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2013-06-07 14:34
@sometimes
那些來看一下小信號(hào)模型中關(guān)鍵參數(shù)[圖片] 

如果要考慮的更復(fù)雜一點(diǎn),可以把高頻的極點(diǎn)和右半平面零點(diǎn)考慮進(jìn)來

 

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