开关电源反馈控制原理介绍

Contents

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Basic theoryof feedback control 反饋控制的基本理論

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Closed loop gain study閉環增益計算研究

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General methods for amplifier compensation 放大器常用補償方法

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Comparison and estimation for power supply application開關電源供應器實際應用設計中,(各種反饋控制回路) 比較與評估.

Basic theoryof feedback control

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Definition of feedbackcontrol

所謂反饋即將電路的輸出量(Vo或Io) 引回到輸入端并與輸入量(Vi或Ii) 進行比較. 從而隨時對輸出量進行調整.(狹義)

反饋是指將控制系統的輸出量通過特定的途徑返回到系統輸入端與原始輸入量疊加, 對系統的淨輸入量產生影響的過程.(廣義) Types of feedback control正反饋: 鼓勵或加強一個行為. 負反饋: 校正或抑制一個行為. Function of negative feedback提高增益的恒定性減少非線性失真抑制反饋環內噪聲擴展頻帶

備註:以犧牲放大電路的增益為代價

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Basic theoryof feedback control

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Block Diagram

Basic theoryof feedback control

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反馈的形式与判断方法

若放大电路中存在将输入回路与输出回路相连接的通路, 即为反馈通路, 并由此影响了放大电路的净输入, 则表明电路有引入反馈, 否则电路便没有引入反馈。

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問題1:請判斷下列電路中是否引入反饋控制?

I

A

O

没有引入反馈引入反馈的放大电路没有引入反馈

Basic theoryof feedback control

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正反馈與負反饋判断方法---瞬时极性法

净输入量u D = u N －u P , 反馈信号使净输入量增大, 引入的是正反

馈净输入量i N = i I －i F , 反馈信号使净输入量减小, 引入的是负反馈

Basic theoryof feedback control

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四種類型的反饋組態

一

電壓串聯負

反饋電路電流串聯負反饋電路

Basic theoryof feedback control

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四種類型的反饋組態二

電壓并聯負反饋電路電流并聯負

反饋電路

Basic theoryof feedback control

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負反饋對放大電路性能

的影響

Closed loop gain study

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Block Diagram

閉環增益一般表達式的推導Xo=A*XidXf =F*XoXid =Xi-XfXi =K*Xs

Af=Xo/Xi=A/(1+AF) 負反饋放大電路基本方程式Afs=Xo/Xs=KAf

以源信號Xs 為基礎的增益式

Closed loop gain study

l 衡量負反饋程度的重要指標

反饋深度

環路增益|1+AF|-AF

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l |1+AF|>1,增益減小, 則稱為負反饋|1+AF|

Closed loop gain study

l Example1

輸出被送入了正輸入端, 結果輸出朝同一個方向走得更遠.

l Equation

Condition (1) Vin=0V

If Vref=2.5v, Vo=0V, Rref=10K, Rh=100K

For Vo=Vsum*A=4V

Condition(2) Vin=0V and Vo=4V

運用疊加原理與分壓原理得出

V+=2.64

Closed loop gain study

l Function of Feedback Control

If we increase the Vi voltage slowly, please think about what happen at

the next.

l Hysteresis “遲滯”效應

由於正反饋加強輸出的變化, 使得我們必須讓輸入沿著相反的方向走得更

遠, 才能在輸出上產生又一次的變化.

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. Application Field

Closed loop gain study

l Example 2分壓器電路

Vi 的放大倍數取決于F 的值, 假定

F=1/10.

備註1:整個電路的增益實際由兩個簡單的電阻控制

備註2:運放的高開環增益特點使得負反饋這種情況的輸出增益近似等於1/F

Closed loop gain study

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Schematic(1)

Closed loop gain study

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Schematic(2)

General methods for compensation

閉環回路頻率響應(穩定度分析)

l 工具一: 拉普拉斯變換(the laplacetransform)

系統的特性常由輸入與輸出之間的關係來描述, 而且是以數學模式所建立的微分或積分的方程式來表示, 對某些輸入激發信號能夠表示出系統響應的概念. 而這些方程式大都是以時域(time domain)來表示, 因此處理上有些困難. 但是將這些方程式經由拉普拉斯轉換到頻域(frequency domain)中. 變成為代數(algebraic),則處理上會容易些, 經由頻域分析所得之結果. 可再有拉普拉斯逆轉換到時域中.

l 工具二: 轉移函數(Transfer functions)

推導出系統的輸入驅動信號與輸出響應之間的關係G(S)=N(S)/D(S)

其中,N(S)=0的根稱之為系統的零值(zeros)

D(S)=0的根稱之為系統的極值(poles)

工具三: 波德圖(bode plots)

為表述轉移函數的增益和相位特性, 以分貝(decibel)為基準, 所畫出來的函數曲綫就稱之為波德圖.

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General methods for compensation

實際應用之---RC 積分

器電路

Vin=iR+1/C*∫idt

Vo =1/C* ∫idt

q= ∫idt 取代上式

Vin=R(dq/dt)+q/c

Vout=q/c

Vin(s)=(sR+1/C)*q(s)

Vout(s)=q(s)/C

Vout(s)/Vin(s)=1/(sRC+1)

取極值sRC= -1

則S= -1/(RC)

f = -1/(2ΠRC)

General methods for compensation

實際應用之---RC 積分

器電路

1. 在轉折頻率極值將使得增益圖形的轉移由0至1, 漸進線會在fc 點產生轉折.

2. 漸進線的變化率用每十進有-20dB 的斜率來表示.

3. 相移變化為在fc/10與10fc 兩點間產生90degree 的相位落後.

General methods for compensation

l 頻率補償技術(Frequency Compensation Technology)

通常在基本放大電路和反饋網絡中, 增加一些元件(R,C)以改變反饋放大電路的開環頻率響應, 使得在保證在一定的增益欲度或者相位欲度的前提下獲得較大的環路增益, 這種作用稱為頻率補償. 為此而構成的電路稱為補償網絡.

l 補償的指導思想(Guide Ideology of Compensation)

人為地將電路的各個極點的間距拉開, 特別是主極點和其相近的間距拉大, 從而可以按預定的目標改變相頻響應并有效地增加環路增益(保證反饋放大電路溫度工作的條件并增加低頻環路增益).

l 誤差放大器的補償(Error Amplifier Compensation)

大多數PWM 控制的IC, 其誤差放大器為高增益的運算放大器. 能產生誤差信號至調變器的控制輸入端. 而誤差放大器的主要任務就是將PWM 轉換式電源供應器的環路閉合起來. 並且其目的為在放大器周圍設計回授網絡.

l 應用範圍較為廣泛的誤差放大器補償網絡(Examples)

General methods for compensation

l 單極值回授

放大器

Schematic Gain waveform

General methods for compensation

l 具有一對零值---極值的運算放大器

Schematic

Gain waveform

General methods for compensation

l 具有兩對零值---極值的運算放大器

Schematic

Gain waveform

General methods for compensation

l 具有回授阻抗的運算放大器

Schematic

Gain waveform

Comparison and estimation for power supply application

l 實際應用之---誤差放大器的設計介紹1

ST-TVS991,TVS992,TVS994,TVS991A,TVS992A,TVS994A

Rail-to-rail input/output 20MHz GBP operational amplifiers.

Comparison and estimation for power supply application

l 實際應用之---誤差放大器的設計介紹2

ST-TS507 high precision rail-to-rail operational amplifier

ST-TS321 low power single operational amplifier

Comparison and estimation for power supply application

l 實際應用之---環路穩定度的測量

最簡單有效的方法測量電源供應器的暫態響應, 即可得到閉環穩定度有關情況

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+/-25% load變化下, 開關電源供應器以不同的回

授放大器補償值所產生的典型的暫態響應軌跡

电源设计中反馈所带来的不良影响

l 實際應用中, 反馈设计不良影响:

l 1. 振荡(造成输出端一些不必要的ripple &noisel 2. 相互干饶(同一电路中相同或是一不的工作频率影响电路的正常工作)

电源设计中反馈所带来的不良影响------杂讯

(ripple&nosie)

电源设计中反馈所带来的不良影响------杂讯

(ripple&nosie)

电源设计中反馈所带来的不良影响------

解决方案

电源设计中反馈所带来的不良影响------杂讯

(ripple&nosie)

电源设计中反馈所带来的不良影响------

解决方案

电源设计中反馈所带来的不良影响------杂讯

(ripple&nosie)

电源设计中反馈所带来的不良影响------

解决方案

Q&A