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实现环路稳定的一般性原则

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  • 在电源控制环路 (TV(f))中,当环路为 180 度相位差时,其相当于交换反馈网络 (GC(f)) 所用运算放大器的输入极性。如果这种情况出现在反馈环路有一个环路增益时的电压环路交叉,则其会变得不稳定并突然开始振荡。为了保证不出现这种情况,我们一般在电压环路交叉设计 TV(f) 45 度的相位裕量 (PM)。在大多数开关模式电源中,控制环路最终都会接近 180 度相移。为了确保其不会导致环路不稳定性,我们一般针对大于 6 dB 的增益裕量 (GM) 来设计,以确保 TV(f) 为 180 度相差时控制信号衰减。评估控制环路 (TV(f)) 时,相位裕量可读作交叉期间的相位量。增益裕量可通过传统方法计算得到,环路为 180 度相位差时,dB 增益为 0 dB。增益及相位裕量原则是卓越控制环路设计的一个重要内容。 

    1. 电压环路交叉时 PM ≥ 45 度 

    a. 环路增益 (TV(f)) 振幅为 1,0 dB 时。 

    2. GM=0dB-180 度相移时的增益 > 6 dB 

    电压环路交叉频率f应该在何处?

    根据尼奎斯特 (Nyquist) 定理,要获得电压环路稳定,交叉频率 (fc) 需小于二分之一转换器开关频率 (fs)。

    在峰值电流模式控制中,电压环路应在 GCO(f) 中出现的双极点以前在十倍速频程 (decade) 范围内交叉。根据所用拓扑,该双极可能出现在二分之一开关频率以下。使用网络分析仪,让设计人员可以准确地知道双极点出现的位置。

    如何使用网络分析仪测量GCO(f)

    即使拥有一个较好的控制模型来输出传输函数,最终也要根据网络分析仪的测量结果来修改控制环路。通过一开始便将电压放大器网络 (GC(f)) 用作一个积分电路可以更容易地补偿电压,然后测量实际 GCO(f) 特性。通过设置图 1-2 所示电容 CP 为 1uF 来测量 GCO(f) 并且不填入 RF 和 CZ 可以实现这个目标。该环路不会得到优化,同时应该缓慢地调节输入电压和负载电流来避免出现振荡。下列 2 幅图(图 5-6)显示了使用 TI 新型 UCC28950 二次侧控制器的 600W 峰值电流模式相移全桥转换器的测得增益和相位,其不需要光隔离器和单独电压反馈放大器 (TL431),从而使电压环路更容易补偿。

    GCO(f) 比上面介绍的要更加复杂,您可能要花费数小时才能得到一个准确建模测得结果的传输函数;然而,一旦利用网络分析仪获得实际频率响应数据以后,便不必对环路进行补偿。从下面几幅图,可以看到 COUT 和 RLOAD 交互作用的低频极点 (fPCO) 随输出功率改变而移动。COUT 和 RESR 交互作用引起 GCO(f) 的零点也随负载而移动。该转换器 GCO(f) 的 fPP 出现在约 60 kHz 处。请注意,GCO(f) 的设置应在约 6 kHz 出现的双极点之前的十倍频程交叉电压环路 (TV(f))。 

    设置 GC(f) 要求知道交叉处的最高 GCO(fC) 增益。从测得的 GCO(f) 可知其出现在 60W 负载时,约为 -10dB。

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