反激电源设计及应用之控制环路设计

作为应用工程师，每天接触的是电源的设计工程师，发现不管是电源的老手，高手，新手，几乎对控制 环路的设计一筹莫展，基本上靠实验。靠实验当然是可以的，但出问题时往往无从下手，在这里我想以反激电源为例子(在所有拓扑中环路是最难的，由于RHZ的存在)，大概说一下怎么计算，至少使大家在有问题时能从理论上分析出解决问题的思路。

一些基本知识，零、极点的概念

示意图:

这里给出了右半平面零点的原理表示，这对用PSPICE做仿真很有用，可以直接套用此图。

单极点补偿，适用于电流型控制和工作在DCM方式并且滤波电容的ESR零点频率较低的电源。其主要作用原理是把控制带宽拉低，在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180度以前使其增益降到0dB。 也叫主极点补偿。

双极点，单零点补偿，适用于功率部分只有一个极点的补偿。如:所有电流型控制和非连续方式电压型控制。

三极点，双零点补偿。适用于输出带LC谐振的拓扑，如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑。环路稳定的标准

只要在增益为1时(0dB)整个环路的相移小于360度，环路就是稳定的。

但如果相移接近360度，会产生两个问题:1)相移可能因为温度，负载及分布参数的

变化而达到360度而产生震荡;2)接近360度，电源的阶跃响应(瞬时加减载)表现为强烈震荡，使输出达到稳定的时间加长，超调量增加。如下图所示具体关系。

所以环路要留一定的相位裕量，如图Q=1时输出是表现最好的，所以相位裕量的最佳值为52度左右，工程上一般取45度以上。如下图所示:

这里要注意一点，就是补偿放大器工作在负反馈状态，本身就有180度相移，所以留给功率部分和补偿网络的只有180度。幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是 自动满足的，所以设计时一般不用特别考虑。由于增益曲线为-20dB/decade时，此曲线引起的最大相移为90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成 的整个增益曲线应该为-20dB/decade部分穿过0dB。在低于0dB带宽后，曲线最好为-40dB/decade，这样增益会迅速上升，低频部分增益很高，使电源输出的直流部分误差非常小，既电源有很好的负载和线路调整率。

如何设计控制环路

经常主电路是根据应用要求设计的，设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。我们的前提就是假设主功率部分已经全部设计完成，然后来探讨环路设计。环路设计一般由下面几过程组成：

1) 画出已知部分的频响曲线。

2) 根据实际要求和各限制条件确定带宽频率，既增益曲线的0dB频率。

3) 根据步骤2)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点。使带宽处的曲线斜率为20dB/decade，画出整个电路的频响曲线。

上述过程也可利用相关软件来设计:如pspice， POWER-4-5-6。

一些解释:

已知部分的频响曲线是指除Kea(补偿放大器)外的所有部分的乘积，在波得图上是相加。

环路带宽当然希望越高越好，但受到几方面的限制:a)香农采样定理决定了不可能大于 1/2 Fs； b)右半平面零点(RHZ)的影响，RHZ随输入电压，负载，电感量大小而变化，几乎无法补偿，我们只有把带宽设计的远离它，一般取其1/4-1 /5；c)补偿放大器的带宽不是无穷大，当把环路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制，及电容零点受温度影响等。所以一般实际带宽取开关频率的1/6-1/10。

网友xinhua.liu：

请问为什么C2一般是百pF级的，C1是nF级的?

是不是这个塬因:

串联C1实质是增加一个零点，零点的作用是减小峰值时间，使系统响应加快，并且闭环越接近虚轴，这种效果越好。所以理论上讲，C1是越大越好。但要考虑，超 调量和调节时间，因为零点越距离虚轴越近，闭环零点修正系数Q越大，而Q与超调量和调节时间成正比，所以又不能大。总之，考虑闭环零点要折衷考虑。

并联C2实质是增加一个及点，级点的作用是增大峰值时间，使系统响应变慢。所以理论上讲，C2也是越大越好。但要考虑到，当零级点彼此接近时，系统响应速度相互抵消。从这一点就可以说明，我们要及时响应的系统C1大，至少比C2大。

答：C1的主要作用是和R2提升相位的。当然提高了低频增益。在保证稳定的情况下是越小越好。

C2增加了一个高频极点，降低开关躁声干扰。