新月GG
认证:VIP会员
所在专题目录 查看专题
环路是如何计算出来的(一)前言篇
环路是如何计算出来的(二)主电路的小信号传递函数
环路是如何计算出来的(三)控制电路的小信号传递函数
环路是如何计算出来的(四)总的开环小信号传递函数
作者动态 更多
最优化开关电源设计大揭秘(三)DC-DC部分讲解
2020-09-18 14:32
最优化开关电源设计大揭秘(二)AC-DC整流部分讲解
2020-09-18 14:21
环路是如何计算出来的(四)总的开环小信号传递函数
2020-09-16 16:56
环路是如何计算出来的(三)控制电路的小信号传递函数
2020-09-16 16:28
环路是如何计算出来的(二)主电路的小信号传递函数
2020-09-16 16:06

环路是如何计算出来的(三)控制电路的小信号传递函数

控制电路的传递函数部分,主要包括比例积分调节,隔离光耦和控制芯片。

比例积分PI调节

比例积分调节(PI调节),即RC调节。这个电路采用431(看作运算放大器)的RC串联调节即可(并不用再并联一个C,软件中的Cc并不需要,在这里设了一个1pF,这个值几乎可以忽略)。

这里标红是需要人为调节,再看最终的开环增益是否满足可靠性要求,如果不满足,就需要重新调节标红的部分,直到满足。这也是mathcad这个软件能够实时计算的优点。

单零点单极点补偿网络如下图所示:

可推导其传递函数为G=-k*ωz*(1+s/ωz)/(s*(1+s/ωp));其中直流增益k=(R2*C2)/(R1*(C1+C2));零点角频率ωz=1/(R2*C2);极点角频率ωp=(1/C1+1/C2)/R2;

控制电路的实际图形如下图所示:

公式中的Rvs_up=[R20,R21]=[20,20]*k欧,Rrc=R24=22k欧,Crc=C5=4.7nF,而Cc并不存在。AZ431起运算放大器的作用,所以AZ431的3脚电压即为PI控制电压。

画图板软件手绘的控制电路比例积分调节小信号传递函数Gcontrol的框图如下所示,其中Uo2为输出电压(滤波后),Ucontrol为PI控制的输出电压。这里由于是控制电路,所以输入输出是由右到左,这个只是习惯而已,别无他意。

比例积分PI调节传函的部分框图

对应的比例积分PI调节电路如下:

其中:Gcontrol=Ucontrol/Uo2

比例积分PI调节电路

PI调节是控制电路的第1部分。如果需要更精确,即考虑431的直流增益、带宽、开环增益等参数,可以用以下这个公式进行修正。而事实上2者基本一样,所以为简单计,不修正也行。

比例积分PI调节的部分幅频相频曲线

由于采用的是交叉负载调整,以及使用光耦隔离,所以需要把电压转换成电流,这就是第一部分最终的小信号传递函数。

比例积分PI调节幅频相频曲线

图中+24V、+8V为滤波后的24V、8V输出电压,+24V_1为滤波前的24V输出电压。所以光耦的LED电流iLED+电阻R26上的电流=(滤波前的输出电压+24V_1-AZ431的3脚电压即为PI控制电压VPI-光耦的LED电压)/光耦的串联电阻Rled_s即R25。

由于光耦的LED电压是个不变的常值,所以变化为零。同时电阻R26上的电流也是个常值,所以变化为零。所以上式可以简化为:iLED=(+24V_1-VPI)/R25。

同时,VPI=+24V_1*(滤波器的小信号传递函数)*(PI调节的传递函数),所以上式变为iLED=+24V_1(1-(滤波器的小信号传递函数)*(PI调节的传递函数))/R25。

由于滤波前的24V、8V输出电压折算到原边是同一个电压点,所以2路的滤波电路和PI调节电路折算到原边相当于并联。

即iLED/折算到原边的输出电压=(24V的变比-并联的(2路的变比*(滤波器的小信号传递函数)*(PI调节的传递函数)))/R25。

画图板软件手绘的控制电路比例积分调节小信号传递函数Gc1的框图如下所示,其中Uo1为输出电压(滤波前),If为光耦输入LED电流。Gvv为主电路滤波电路部分的小信号传递函数,Gcontrol为控制电路比例积分调节小信号传递函数,Rled_s为光耦的串联电阻。Uo2为输出电压(滤波后),Ucontrol为PI控制的输出电压。主电路的输入输出是由左到右,控制电路的输入输出是由右到左。

比例积分PI调节传函框图

对应的比例积分PI调节电路如下:

其中:Gc1=If/Uo1

比例积分PI调节电路


隔离光耦

这是控制电路的第2部分,即光耦的隔离传递小信号模型。

因为光耦的输出端电容即等效集射极电容=前向放大增益hfc*光耦的集基极Ccb,同时光耦的集射极外并一个电容Cce(图上未画出),所以总集射极电容C_oc=hfc*Ccb+Cce。

而所用控制芯片的反馈输入端的输入等效阻抗为Rpullup=5k欧,如下图所示:

  • 所以等效为一个RC低通滤波电路,极点频率为f=1/2*3.14*Rpullup*C_oc;
  • 直流增益只考虑电阻,不考虑电容,所以光耦集射极电压=光耦的输出电流*Rpullpu=光耦的输入电流即LED电流iLED*电流传输比CTR*Rpullup;
  • 所以直流增益K=光耦集射极电压/光耦的输入电流即LED电流iLED=电流传输比CTR*Rpullup。

这个就是光耦的传递模型,光耦集射级电压对光耦的LED电流。

隔离光耦幅频相频曲线

画图板手绘的光耦部分传递模型的示意图如下:

  • 其中Rpullup即为芯片内部反馈输入端等效阻抗
  • Vfb_open即为芯片内部反馈输入端的开路等效电压
  • C_oc即为光耦总集射极电容
  • 光耦的输入电流为iLED
  • 光耦的输出电流即为iLED*CTR

由于Vfb_open为不变的常值电压,所以对于交流小信号传递函数来说,可以看成是0V即可看成Rpullpu与C_oc并联。所以反馈端电压(光耦集射极电压)=-iLED*CTR/(1/Rpullup+s*C_oc),即光耦集射极电压/iLED=-CTR*Rpullup/(1+s*Rpullpu*C_oc)=-K_oc/(1+s/(2*3.14*fp_oc))。其中K_oc=CTR*Rpullpu为直流增益,fp_oc=1/(2*3.14*Rpullup*C_oc)为极点频率。

画图板软件手绘的控制电路光耦部分的小信号传递函数Gc2的框图如下所示,其中If为光耦输入LED电流,Uce为光耦集射极电压。

控制电路的输入输出是由右到左。

隔离光耦传函框图

对应的隔离光耦电路如下:

其中:Gc2=Uce/If

隔离光耦电路


控制芯片

这个是控制电流的第3部分,主要是根据控制芯片的参数Avcs,所以是个定值。已经转换为原边峰值电流了。

控制芯片幅频相频曲线

原边电流采样电压Vcs=原边峰值电流*电流采样电阻Rcs;而根据芯片资料,反馈端电压(光耦集射极电压)/原边电流采样电压Vcs=Avcs;所以反馈端电压(光耦集射极电压)/(原边峰值电流*电流采样电阻Rcs)=Avcs,即原边峰值电流/反馈端电压(光耦集射极电压)=1/(Rcs*Avcs)。

下图即为芯片内部的Avcs:

画图板软件手绘的控制电路控制芯片部分的小信号传递函数Gc3的框图如下所示,其中Uce为光耦集射极电压,Ic为原边峰值电流。控制电路的输入输出是由右到左。

控制芯片传函框图

对应的控制芯片电路如下:

其中:Gc3=Ic/Uce

控制芯片电路

这个是以上3部分控制电路的综合,即控制电流的传递函数。

控制电路幅频相频曲线

控制环路的小信号环路,小结一下:

  • Gc1为PI调节的传递函数,即光耦输入电流/输出电压(滤波前);
  • Gc2为光耦的传递函数,即反馈端电压/光耦输入电流;
  • Gc3为控制芯片的传递函数,即原边峰值电流/反馈端电压;

所以Gc=-Gc1*Gc2*Gc3即为控制电路的传递函数,即原边峰值电流/输出电压(滤波前),负号是因为负反馈。画图板软件手绘的总的控制电路传递函数Gc的框图如下所示,其中Uo1为输出电压(滤波前),Ic为原边峰值电流。Gc由比例积分调节传递函数Gc1、光耦传递函数Gc2、控制芯片传递函数Gc3级联而成。主电路的输入输出是由左到右,控制电路的输入输出是由右到左。

控制电路传函框图

对应的控制电路如下:

其中:Gc=Gc1*Gc2*Gc3=Ic/Uo1

控制电路

声明:本内容为作者独立观点,不代表电子星球立场。未经允许不得转载。授权事宜与稿件投诉,请联系:editor@netbroad.com
觉得内容不错的朋友,别忘了一键三连哦!
赞 4
收藏 17
关注 153
成为作者 赚取收益
全部留言
0/200
  • 阳光帝国 2020-11-11 09:29
    围观学习
    回复