时间: 2024-06-27 01:16:01 | 作者: 大事纪要
不再能稳定的工作,输出电压也不再平稳,这是由于控制环路稳定性或带宽带带来的影响。了解
在自然界中,控制管理系统无处不在。空调控制室内温度,驾驶员控制汽车行驶的方向,控制煮饺子时的水温,诸如此类。控制是指对生产的全部过程中的一台设备或一个物理量做相关操作,使一个变量保持恒定或沿预设轨迹运动的动态过程。通常,自然界中的系统是非线性的,但微观过程可以被视为线性系统。在半导体领域,我们将微电子学视为一个线性系统。
可实现自动控制的系统是闭环系统,反之则是开环系统。开环系统的特点是系统的输出信号不影响输入信号。就像在图1中,
其分母相位(式4)既是开环转换函数(也称为环路增益),其增益幅度表明反馈的强度,其带宽是闭环系统的可控带宽。当然,其相移也会叠加。必须要知道,如果环路增益大于0 dB,同时相移为180°,则控制环路将以正反馈工作并形成一个振荡器。这是稳定性设计的一个关键。设计人员应确保相位裕量和增益裕量在安全范围内,否则总系统环路将开始自振荡。
降压DC-DC模块展示了II型补偿网络。这种补偿电路会提供一个零点和两个极点。
极点和零点位置由环路增益和环路相移确定。正极点会给波特图中的增益曲线 dB/dec斜率,并会给波特图中的环路相位曲线°相移。相反,正零点会给增益曲线 dB/dec斜率,并会给环路相位曲线°相移。能够正常的看到,II型补偿环路有两个极点和一个零点,而带有寄生效应的LC滤波器也有两个极点和一个零点。寄生极点可能会迫使环路增益交越点(开环图与轴相交的点;此处增益为0 dB)处的斜率高达-40 dB/dec,甚至更高。这在某种程度上预示着系统的相移将达到180°(相位裕量将达到0°),会引起自振荡。
根据经验,我们应确保环路增益穿越频率处的斜率为–20 dB/dec。未解决这个问题,设计人员只能更改补偿网络。更改Rz或Cz能改变零点的位置,更改Cp能改变次极点的位置。通常,寄生极点和零点位于非常高的频率,因此我们将Fp2放置在比Fz稍远的位置,迫使寄生极点和零点低于0 dB。Fz和Fp2都是决定环路带宽的重要因素。
通过调整极点和零点的位置,能改变环路的频率响应和相位响应以确保增益或相位裕度。因此,我们大家可以在环路带宽和稳定能力裕量之间取得平衡。
其补偿网络为II型网络,Cp = 0 pF(根据式8)。第二个极点位于无穷大频率,我们大家可以从R5和C2计算出第一个零点,Fz = 1/(4.7 nF ×18.2 kΩ) = 11.69 kHz。在输出LC滤波器中,我们大家可以通过转换函数式7从ESR和输出电容得知零点在Fz = 16.4 MHz,复极点在Fp1 = 1.8 kHz–37.6 kHz和Fp2 = 1.8 kHz + 37.6 kHz。能预见,Gf增益将在1.8 kHz处达到最大点。当频率大于1.8 kHz时,Gf增益会迅速下降。补偿零点Fz是对环路增益降低的补偿。此外,我们该知道,如果环路增益大于0 dB,LC滤波器将在37.6 kHz处谐振。设计人员不应将Fz放置得太接近1.8 kHz,以确保环路增益在37.6 kHz时不会高于0 dB。AC环路仿线所示。
此外,III型补偿网络对于提供补偿更具潜力。当然,要评估一个系统,不但可以使用开环转换函数和波特图,还可以观察闭环转换函数的根轨迹是否在左半平面,并分析时域微分方程。但就方便性而言,观察波特图的开环转换函数是实现稳定电源系统模块设计的最常见、最简单的方法。别的类型DC-DC拓扑的补偿环路、补偿方法和原理是相同的。唯一不同之处在于调制器,也就是环路转换函数的增益。
除了不一样的DC-DC拓扑,还有采用不一样方案的控制环路。与DC-DC转换器一样,MAX20090 LED控制器由电流控制环路组成。转换器检测输出电流,并将其反馈回控制环路以达到预期值。另一个例子是MAX25206降压控制器,它具有限制峰值或平均电流的功能。该器件检测输出电压和平均电流并反馈回来。它是一款双闭环控制器。通常,电流控制环路在内环,电压控制环路在外环。电流环路的带宽(即响应速度)大于电压环路的带宽,因此它能实现限流。第三个例子是MAX1978温度控制器。它包含一个驱动热电冷却器(TEC)的H桥。不同电流的方向将决定TEC是加热还是冷却模式。反馈信号就是TEC的温度。这种控制环路会迫使输出TEC的温度达到预期温度。