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解析法分析峰值電流型環(huán)路穩(wěn)定性及斜率補償對電壓外環(huán)的影響

   電源工程師對于開關電源峰值電流型控制都比較熟悉,由于峰值電流型小信號精確模型的傳遞函數(shù)比較復雜,所以對于環(huán)路穩(wěn)定性的設計一般都采用仿真的方法。筆者試圖通過建模,用解析的方法來分析環(huán)路的穩(wěn)定性,然后闡述電流內環(huán)參數(shù)的選擇對電壓外環(huán)的影響。

      對于開關電源峰值電流型反饋控制系統(tǒng)的精確建模,張衛(wèi)平教授在他的著作《開關變換器的建模與控制》一書中,已經給出了完整的推導過程,這里筆者就不再贅述了,感興趣的讀者可以自行查看該書(新版)的第6章節(jié)的內容(從186頁到226頁)。該書推導了從控制電壓Vc(s)到占空比d(s)的這一環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),但沒有進一步論述外部的電壓環(huán)路傳遞函數(shù)和斜率補償對電壓環(huán)路穩(wěn)定性的影響。筆者就在張衛(wèi)平教授推導模型的基礎上,再推導完整的峰值電流型傳遞函數(shù)。接下來以BUCK電路為例說明,下圖為張教授推導的峰值電流型控制的小信號模型(時域下)。

其中,

D為占空比直流量,d(t)為占空比小信號擾動,Ts為PWM的開關周期,L為電感量,Ma為斜率補償系數(shù)。

以上面的模型為基礎,再添加上輸出電壓及電感電流的反饋、占空比d(s)對輸出電壓和電感電流的控制,從而得出通用開關電源電路的拉氏變換控制系統(tǒng)框圖如下:

上圖中有兩點需要說明一下:

因為輸出電流io(s)的增加,會引起輸出電壓Vo(s)的下降(電源輸出阻抗),所以上圖中的紅圈為負。

因為輸出電流io(s)的增加,會引起電感電流IL(s)的增加,所以上圖中的紅圈為正。

在功率級框圖中,系統(tǒng)的輸入電壓和輸出電流做為系統(tǒng)的擾動,輸出電壓和電感電流做為系統(tǒng)的輸出,輸出電壓設定(Vref)做為控制系統(tǒng)的輸入,d(s)占空比分別控制輸出電壓和電感電流。上圖中的綠色方框部分有的已經建模得到了相關的傳遞函數(shù),剩下沒有建模環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)將通過下面的推導得出。

通過對開關量進行小信號線性等效,并將元器件中的寄生參數(shù)考慮進去(Re為電感的等效電阻,Rc為電容的等效串聯(lián)電阻,RL為負載電阻),可以得到如下的BUCK變換器的模型(s域):

Vg表示直流量,Vg(s)表示小信號交流量。同理D表示直流量,d(s)表示小信號交流量,電路中其它變量交直流量表示方法也相同。

1)求Gvg傳遞函數(shù)

表示Vg(s)單獨影響Vo(s),所以要將d(s)置零并將io(s)對Vo(s)的影響忽略,從而得到下面的框圖:

通過上圖可得:

化簡可得:

2)求Mvg傳遞函數(shù)

根據上圖中次級回路的結構,可得到方程:

化簡可得:

3)求Gpv傳遞函數(shù)

,所以要將vg(s)置零并將io(s)對Vo(s)的影響忽略,可以得到如下的框圖:

化簡可得:

4)求Gpi傳遞函數(shù)

同樣根據上圖,有如下方程:

化簡可得:

5)求Zo(輸出阻抗)傳遞函數(shù)

將vg(s)和d(s)置零,得到如下框圖:

有如下的方程:

化簡:

6)求Avi傳遞函數(shù)

化簡:

至此,已經將功率級環(huán)節(jié)所有的傳遞函數(shù)推導出來。

另外,電感電流采樣環(huán)節(jié)分為兩部分:Rs(電流互感器等效電阻),He(s)(連續(xù)域電流峰值采樣傳遞函數(shù))。

其中He(s)可以近似等效為:

式了中的,

接下來,以一個BUCK電路為例,來具體說明是如何應用上面推導出的傳遞函數(shù)計算電壓環(huán)路的補償Gvc

BUCK電路的參數(shù)如下:

輸入電壓: 30V最小 60V最大 45V額定值

輸出電壓:15V

輸出電流:10A

開關頻率:100KHz

互感器的匝比:  1:100

互感器次級取樣電阻:15Ω

電感量:28uH,等效電阻2mΩ

輸出電容:330uF,等效電阻20mΩ

一)電流內環(huán)的Bode圖:

電流內環(huán)框圖:

內環(huán)電流環(huán)路設計的主要目標是:找到斜率補償系數(shù)Ma的值,使電感電流IL(s)穩(wěn)定,不會產生次諧波振蕩。根據上圖,可以得到電流環(huán)路的開環(huán)增益Ti(s):

其中:

用MathCAD繪制Ti(s)的bode圖,并以Ma為變量進行掃描,畫出曲線:

Ma的取值從1.2*10^5 A/s到6*10^5 A/s,可以得到一組曲線,當Ma小于1.2*10^5 A/sec,環(huán)路就不再穩(wěn)定。Ma也不是越大越好,Ma的增大會降低穿越頻率,導致電流內環(huán)的響應變慢,還會影響抗輸入擾動的性能和輸出的阻抗。

二)控制電壓Vc(s)到輸出電壓Vo(s)的傳遞函數(shù)Ac(s):

將Vg(s)和Io(s)置零后,可以得到如下的框圖:

根據上面的框圖可以得到兩個等式:

從而可得:

畫出bode圖:

當Ma小于等于1.2*10^5以后,將會出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著Ma的增大,會發(fā)現(xiàn)Ac(s)逐漸向電壓型控制狀態(tài)演化,當Ma取值6*10^6時,已經完全演變?yōu)殡妷盒涂刂啤?/p>

在本環(huán)節(jié),Ma的取值原則是:削掉幅頻曲線中的尖峰,同時要保證不會變?yōu)殡妷盒涂刂骗h(huán)路。Ma既不能太小,也不能太大。這與調試中的經驗比較吻合,Ma補償不夠時,會出現(xiàn)次諧波振蕩,Ma補償過大,就會變成電壓型控制。

三)抗輸入擾動Mvcl(s)(電流閉環(huán),電壓開環(huán)情況下):

在忽略io(s)的影響且Vref置零的情況下,得到如下框圖:

根據上面框圖,可得到一組方程:

化簡:

因為要求得輸出電壓的變化,所以應當將電壓環(huán)路斷開,電流內環(huán)閉合時,畫出Mvcl的bode圖:

可以看到,Mvcl(s)增益越?。ㄇ€越低),輸入電壓Vi(s)對輸出電壓Vo(s)的影響越小。隨著Ma的變化Mvcl(s)增益并不單調,當Ma取值2.7*10^5時,Mvcl的增益最低,即輸入電壓Vi(s)對輸出電壓Vo(s)的影響最小

四)輸出阻抗Zocl(s)(電流閉環(huán),電壓開環(huán)情況下):

當Vg(s)=Vref=0時,得到如下方框圖:

有下面一組方程:

化簡:

在電流內環(huán)閉合,電壓外環(huán)開環(huán)的情況下,畫出bode圖:

注意Zocl(s)的增益是個負數(shù)。在低頻段,|Zocl(s)|絕對值越大(曲線越低),對Vo的影響越大。即:在低頻段,隨著Ma的取值的增大(曲線越低),抵抗負載擾動的能力越差,因此從負載抗擾動的角度看,Ma的取值越小越好。

上面的計算過程,分別從電流環(huán)路穩(wěn)定性、電流型向電壓型的演化過程、輸入電壓抗擾度和負載抗擾度這四個方面說明了斜率補償系數(shù)Ma的選擇原則,綜上可以選擇:

下面就以Ma這個值為基礎來計算外部電壓環(huán)路的補償參數(shù)。

首先,根據Ma的取值,畫出電流環(huán)路的開環(huán)增益Ti(s)的bode圖:

穿越頻率14KHz,相位裕度65°。

Vc到Vo的傳函Ac(s)的bode圖:

上圖中的Ac(s)已經是穩(wěn)定的狀態(tài)了,只是低頻的增益比較小,穩(wěn)態(tài)誤差較大。

五)電壓環(huán)路設計:

將前面的電壓環(huán)路進行整理得到框圖:

因為控制電壓Vc到Vo的傳遞函數(shù)Ac(s)已經在前面求得,所以電壓環(huán)路開環(huán)增益Tv(s)就是:

電壓環(huán)路的設計,主要是加大電壓環(huán)路低頻開環(huán)增益以消穩(wěn)態(tài)誤差,并讓幅頻曲線穿越頻率盡量高些,保證快速性,因此針對Gvc(s)補償?shù)男枨?,可以用下面的電路?/p>

把Gvc(s)傳遞函數(shù)的零點放在600Hz,初始極點1.5KHz位置后,經過計算,得到如下參數(shù):

Rin=10k    RLow=2k    Cf=10.6nF    Rf=25k

根據上面參數(shù),畫出Gvc(s)的bode圖:

需要注意的一點是:上圖中的補償器的傳遞函數(shù)已經包含GFB及相減的功能了,所以電壓環(huán)路開環(huán)增益Tv(s)改為:

然后,以上組參數(shù)為基礎,畫出Tv(s)的bode圖:

從該圖中,可以看到電壓開環(huán)bode圖的穿越頻率為8.2KHz,相位裕度為90°。

再用SIMPLIS仿真驗證上面的計算是否正確。

通過AC交流仿真后,得到電壓環(huán)路的bode圖:

仿真得到電壓開環(huán)穿越頻率為8.26KHz,相位裕度為88.5°,與解析法計算出來的結果相一致。證明了解析法的正確性。

從仿真出來的波形看,該曲線能仿真出開關頻率對bode圖的影響,而解析法無法計算出來。

最后總結:

      峰值電流控制環(huán)路計算的起點是Ma的選擇,Ma不僅影響電流內環(huán)的穩(wěn)定性,還對輸入抗擾性、負載抗擾性及電壓環(huán)路也有很深的影響,通過解析的方法,可以發(fā)現(xiàn)Ma的變化是如何將電流型演變成電壓型的。

      一般,對于BUCK電路來說,占空比不超過50%時,IL(s)是不存在振蕩的,是內在穩(wěn)定的,理論上不需要斜率補償。但Ma斜率補償?shù)倪x擇卻會影響電壓環(huán)路的穩(wěn)定,所以即使占空比不超過50%,也應該選擇合適的Ma,然后再計算電壓補償參數(shù)。

在附件中有本例全部的計算書及仿真文件,計算書是用MathCad Prime 8.0編寫的,版本低的請自行升級。仿真文件用Simplis 8.40b版本。

聲明:本內容為作者獨立觀點,不代表電子星球立場。未經允許不得轉載。授權事宜與稿件投訴,請聯(lián)系:editor@netbroad.com
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資料明細:BUCK 45V-15V10A.rar,峰值電流型解析法建模_例子.rar
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  • songxium 07-28 15:43
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  • 一步羅華 03-03 11:43
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  • 發(fā)燒小峰 02-01 15:40
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  • pplo510 2024-12-24 23:15
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  • dy-Ny3lDL2S 2024-11-21 14:26
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  • tom_ynhe 2024-08-28 22:42
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  • EchoDue 2024-08-27 14:08
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  • dy-idhAmc6t 2024-08-22 19:53
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  • playgirlls 2024-07-18 13:00
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  • dy-nIW3WNId 2024-07-05 11:18
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  • refale 2024-05-23 06:44
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  • EchoDue 2024-04-22 00:30
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  • dy-XHeGgAvl 2024-03-18 13:49
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  • Daveone 2024-03-09 18:47
    大神可以加個微信交流開關電源技術嗎??
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  • Daveone 2024-03-09 18:41
    內容已刪除 11****@****.com
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  • Daveone 2024-03-04 22:40
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  • dy-iGugTBNk 2024-01-29 19:06
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