环路控制白皮书_开关变换器建模讲解.docx

开关电源的环路控制 概述（开关电源环路控制的概念、环路控制对扰动的抑制作用，理解交流小信号模型，直流关系、交流小信号，动态性能、稳态精度） （增加开关变换器的建模，理解非线性大信号模型、交流小信号模型） 1.1开关变换器的动态建模 1.2Buck变换器的模型 1.3基于交流小信号动态模型的闭环控制 2、开关电源的控制方式（PWM方式和PFM方式，PWM方式电路的工作原理） 2.1开关电源的两种基本控制电路（电压控制型的基本原理、电流控制型的基本原理） 2.2电流检测电路（电阻检测、电流互感检测，普通放大、跨到放大，积分滤波作用） PWM反馈控制模式（） 3.1电压模式控制PWM 3.2电流模式控制PWM（主要介绍峰值电流模式） 4、开关电源环路分析（零极点，波特图，开环与闭环的概念，开环和闭环的关系） 4.1开环系统的频域分析（基础知识，基本变换器的频域分析） 4.2闭环系统的频域分析（稳定裕度、稳定性分析、性能指标） 5、开关电源补偿网络的设计 5.1三种补偿网络（超前、滞后、超前-滞后） 5.2电压控制模式的补偿网络设计（1、2、3型） 5.3电流控制模式的补偿网络设计（稳定性分析，次谐波振荡，谐波补偿） 概述 典型的DC-DC变换器系统，当负载或输入电源变化时，通常希望通过闭环反馈调节变换器中开关管的通断时间，以维持系统输出不变，并具有良好的静态和动态性能。因而，开关变换器作为一个闭环控制系统，其静态和动态性能的好坏与反馈控制设计密切相关。典型开关变换器系统，希望通过控制器的设计，抑制输入电压或负载的变化对系统输出的影响，从而提高系统输出的控制精度保证闭环系统的稳定，并使系统的超调量、调节时间等动态性能满足设计要求。 图1.1为典型的开关变换器闭环系统控制框图。系统由功率变换主电路，脉宽调制及驱动，误差补偿放大等环节组成。系统对输出电压V进行采样，通过与参考电压比较得误差电压，经补偿放大后送PWM电路，调制为相应的占空比为的脉冲信号，通过驱动器控制主电路功率开关的通断，从而达到调节输出电压的目的。 图1.1 开关变换器闭环系统控制框图 要完成上述反馈??制器的设计，首先需要建立开关变换器的动态数学模型。由于开关变换器系统中包含功率开关器件以及二极管等非线性元件，而开关元件周期性地导通或截止状态的变化将引起变换器功率电路结构在时间上的变化，因而开关变换器系统是一个非线性的时变系统。建立该系统的数学模型，从理论上得到瞬态响应的精确解析解是较为困难的，因此在工程应用中，需要采用数学手段简化复杂的物理模型，从而获得对象近似的数学模型。 1.1开关变换器的动态建模 小信号分析法是适用于非线性系统线性化的一种较好的理论分析方法。将小信号分析法引入开关变换器的动态建模与分析是目前常用的方法。其基本思想是：假设开关变换器系统运行在某一稳态工作点附近，当扰动信号很小时，在稳态工作点附近变换器可以被近似看作线性系统，从而可以建立开关变换器的小信号线性动态模型。如建立输入电压、负载电流，或占空比控制量的变化对变换器输出电压的传递函数，在此基础上就可以进一步应用经典控制理论完成控制器，或补偿网络的设计。 以变换器为例。已知变换器电压传输比为。设其运行在占空比的静态工作点，如图1.2所示，则此时的电压传输比。假设占空比在附近发生了一个小的扰动，即，则占空比的变化将引起输出电压的变化，这种变化按图1.2所示关系曲线应为非线性的，但当扰动量时，可以通过在静态工作点处做原曲线的切线，在静态工作点附近近似地用这条直线代替原曲线，从而使电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性系统的特性，即在静态工作点附近用线性关系近似代替电路变量间的非线性关系，实现开关变换器非线性系统的线性化。因此，小信号扰动是开关变换器动态模型线性化的前提条件之一，即变换器电路中各变量的交流扰动分量远远小于其稳态直流分量。 图1.2 Boost变换器电压除数比M与占空比D的非线性关系 若进一步假设占空比的小信号扰动为低频扰动，频率为，即 式中，以满足小信号假设的前提条件。当小信号扰动量的频率远低于变换器开关频率，即时，功率开关器件门极驱动信号为一个脉冲宽度在静态工作点附近，随扰动信号频率小范围波动的低频信号，如图1.3（a）所示。因此，开关变换器的输出电压也被低频调制，如图1.3（b）所示，在相应直流稳态输出电压（对应稳态占空比基础上，表现出与扰动频率相同频率的低频波动。实际上，开关变换器的输出电压中除直流分量和低频扰动分量外，还包含开关频率，及其边频带分量，以及开关频率谐波及其边频分量。图1.4给出了开关变换器输出电压的频谱。 图1.3 PWM脉冲宽度调制低频调制与输出电压波形 图1.4 输出电压v(t的频谱 为了有效地滤除由于功率开关通断