在設(shè)計環(huán)路補償時,如果不清楚被控電路的模型或者沒有bode圖的話一般可以采用PID法來補償。用仿真驗證了一下,PID補償法確實可以很方便的實現(xiàn)補償不過存在幾個疑惑。
1、PID補償只是滿足了穩(wěn)定和動態(tài)響應(yīng),其它特性不能清晰的顯現(xiàn)出來。
2、PID中的微分項D好像并不適合開關(guān)電源控制。
3、PI可以用于部分開關(guān)電源控制不過性能達不到最佳。
在設(shè)計環(huán)路補償時,如果不清楚被控電路的模型或者沒有bode圖的話一般可以采用PID法來補償。用仿真驗證了一下,PID補償法確實可以很方便的實現(xiàn)補償不過存在幾個疑惑。
1、PID補償只是滿足了穩(wěn)定和動態(tài)響應(yīng),其它特性不能清晰的顯現(xiàn)出來。
2、PID中的微分項D好像并不適合開關(guān)電源控制。
3、PI可以用于部分開關(guān)電源控制不過性能達不到最佳。
第三步,上一步推測的功率級電路穿越頻率約為1000/1.8999=526Hz,最終的目標(biāo)穿越頻率設(shè)為8Khz,此時調(diào)制比例系數(shù)P=8000/526=15(斜率有可能是-1和-2的組合所以P的取值范圍15~30)。重復(fù)上述第二步調(diào)積分電容使震蕩波形達到滿意狀態(tài)為止。
圖1-3 最終的啟動波形
PID補償雖然能提供+90度的相位補償?shù)鋾糯蟾哳l噪聲,所以這種補償只適用于大慣性(雙極點)沒有高頻噪聲的場合。在數(shù)字開關(guān)電源控制中用的比較多的是PI型還有2P2Z(TypeⅡ)和3P3Z(TypeⅢ)等。
穿越頻率一般要低于1/5開關(guān)頻率。如果是帶光耦隔離的反激,考慮光耦有個8~10KHz的極點反激有個幾十KHz的右半平面零點所以穿越頻率一個不高于8KHz(穿越頻率越低越容易補償)。
輸出電容可以看紋波,如果輸出紋波是100mV那么比例P最好在10倍以內(nèi)。
根據(jù)之前的實驗現(xiàn)象,當(dāng)電路發(fā)生震蕩或者欠阻尼震蕩時可以通過震蕩周期和次數(shù)來判斷出當(dāng)前的穿越頻率和相位余量,通過不斷調(diào)整穿越頻率點并結(jié)合當(dāng)前已知的補償參數(shù)就可以推算出功率級電路的bode圖。
在實際電路中有很多情況下相位余量是大于90度的甚至接近180度(電流模式的反激),想讓電路在寬頻率范圍內(nèi)都發(fā)生震蕩或欠阻尼震蕩顯然不太容易,所以設(shè)想一個補償環(huán)節(jié)可以使相位從0到-180度之間任意變化而增益恒為1。
右半平面零點后的增益是逆時針旋轉(zhuǎn),左半平面極點后的增益是順時針旋轉(zhuǎn),二者的相位都滯后0-90度,如果右零點、左極點重合則可以實現(xiàn)增益恒定而相位0-180變化的目的,見下圖:
圖2-1 右半平面零點和左半平面極點重合bode圖
如圖2-1,可以任意改變頻率fpz從而調(diào)整環(huán)路的相位余量而不影響環(huán)路的增益曲線(穿越頻率不變),可以任意改變比例P從而調(diào)整環(huán)路的增益(改變穿越頻率)而不影響環(huán)路的相位曲線。這樣實現(xiàn)了相位和增益的分離使調(diào)試變的容易了。
圖2-1還存在兩個問題,
1、開關(guān)電源的輸出帶有開關(guān)噪聲,如果比例比較大則PWM發(fā)生器會飽和既發(fā)生大信號現(xiàn)象。
2、Boost或Buck-boost(反激)類的電路都存在右半平面零點,如果增益比較大則增益曲線不會過零(在開關(guān)頻率內(nèi)),意味著穿越頻率將高于開關(guān)頻率。
圖2-2 右半平面零點限制了增益的提高
鑒于這兩個問題額外增加一個固定的高頻極點環(huán)節(jié),這個高頻極點可取開關(guān)頻率的1/10或者低于功率級電路的右半平面零點。
圖2-3 100-100kHz震蕩bode圖
如圖2-3總的開環(huán)bode圖頻率從100Hz-100kHz電路都可以發(fā)生震蕩具備了反相推導(dǎo)功率級bode圖的條件。
用Saber軟件對上述推論進行驗證,在驗證過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)高增益時單個高頻極點慮不掉開關(guān)噪聲所以需要設(shè)置雙重極點(雙重極點20kHz,開關(guān)頻率60kHz,右半平面零點30kHz),仿真和計算的結(jié)果對比如下:
圖2-4-1 1kHz震蕩
圖2-4-2 10kHz震蕩
在圖2-4-3中低頻段由于發(fā)生了次諧波震蕩導(dǎo)致出現(xiàn)較大偏差,當(dāng)給電路加入斜坡補償后偏差可以消除。
用壓控震蕩VCO作為控制器來搭建LLC電路如下:
圖2-5-1 VCO控制的LLC電路
輸入:400V,匝比n=1,Lr=72uH,Lm=216uH,Cr=35nF,輸出電容Co=100uF,ESR=0.5,輸出電壓200V,輸出負載Ro=138歐姆。壓控振蕩器VCO的頻率變化范圍40kHz-160kHz。
同樣用上述電路來反推LLC得到的bode如下:
圖2-5-2 LLC功率級電路bode圖
圖2-5-2反推的bode圖是否準(zhǔn)確?由于沒有LLC電路的小信號模型就直接采用tdsa掃頻來獲得bode圖并進行對比如下:
圖2-5-3 LLC電路兩種方法獲得的bode圖對比
圖2-5-3的對比顯示對于LLC電路反推法一樣適用。
有了功率級bode圖后剩下的補償就容易實現(xiàn)了,采用圖解法設(shè)置目標(biāo)穿越頻率20kHz相位余量45度得出的Type Ⅲ型補償電路各參數(shù)如下:
R1=19.4kHz,R2=423,R3=830,C1=13nF,C2=306nF,C3=6.386nF。
動態(tài)波形仿真結(jié)果如下:
圖2-5-4 LLC動態(tài)波形(20kHz穿越頻率,45度相位余量)
圖2-5-4為LLC輸出動態(tài)波形及局部放大圖,在剛上電時為大信號狀態(tài)環(huán)路未起作用,后面當(dāng)環(huán)路起作用后負載的動態(tài)特性較理想(負載138-1380歐姆0.01mS突變)。