开关电源环路设计与实例详解+38页+2.3M

1 基本理论开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的，即由Vc与锯齿波信号比较，产生PWM波形。

根据锯齿波产生的方式不同，开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。

电压型的锯齿波是由芯片内部产生的，如LM5025，电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的，如UC3843。

对于反激电路，变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。

输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数Tu，Tu=Vo/Vc。

一般按频率的变化来反映Tu的变化，即Bode图。

电压型控制的电源其Tu是双极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：电流型控制的电源其Tu是单极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。

本讲座的目的是提供一种直观的环路设计手段。

2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu2.1 开关平均模型开关电源的各个量经平均处理后，去掉高频开关分量，得到低频(包括直流)的分量。

开关电源的建模、静态工作点、反馈设计、动态分析等都是基于平均模型基础之上的。

若要得到实际的工作波形，应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。

将开关电路中的开关器件经平均化处理后，就得到开关平均模型，用开关平均模型可以搭建各种电路。

以下是几个开关电源的平均模型仿真例子，从电路波形中看不到开关量，只是平均量，比如电感中流过的电流是实际电感中的电流平均值，电容两端的电压是实际电容两端电压的平均值等等。

2.1.1 CCM BUCK(连续模式BUCK)先直流扫描Vc，得到所需的输出电压，即得到了电路的静态工作点。

然后交流扫描，得到Tu的Bode图。

Tu为双极点。

此处Vc等同于占空比d。

2.1.2 DCM BUCK(断续模式BUCK)按以上方法得到Tu，在DCM下，Tu变成单极点函数。

模型CCM-DCM即可用于连续模式，也可用于断续模式。

此处Vc仍等同于占空比d。

开关电源原理设计及实例第变压器隔离的变换器拓扑结构演示文稿开关电源是一种将输入电源信号转换成所需要的输出电压或电流的电源装置。

它通过开关管的开关动作来控制输入电源的通断，从而实现对输出电压或电流的控制。

开关电源具有高效率、小体积和低成本等优势，因此在许多电子设备中广泛应用。

本文将介绍开关电源的原理设计及实例，并重点介绍了一种基于变压器隔离的变换器拓扑结构。

一、开关电源的工作原理开关电源主要由输入端、变换器、控制电路和输出端四部分构成。

其中变换器是其核心部分。

变换器主要由开关管、变压器和输出滤波电路组成。

开关电源的工作过程如下：1.输入电源输入交流电压，通过整流电路转换为直流电压；2.直流电压经过输入滤波电路进行滤波，去除电源中的高频杂波；3.控制电路根据输出电压的反馈信号，控制开关管的开关动作；4.当开关管接通时，变压器中的能量储存；5.当开关管断开时，储存在变压器中的能量释放，并经过输出滤波电路输出给负载。

二、变压器隔离的变换器拓扑结构变压器隔离是开关电源设计的一个重要技术，主要用于防止输出端与输入端之间的电气隔离，保护用户和设备的安全。

下面介绍一种基于变压器隔离的变换器拓扑结构，反激变换器。

1.反激变换器的工作原理：反激变换器是一种脉冲宽度调制（PWM）型开关电源，它采用反激（反冲击）的方式，将输入电压转换为所需的输出电压。

反激变换器主要由变压器、开关管、脉冲变压器、反激电容和输出滤波电路等组成。

2.反激变换器的工作过程：(1)开关管接通状态：当开关管接通时，电流通过变压器，将能量储存到脉冲变压器中。

(2)开关管断开状态：当开关管断开时，通过变压器的自感性，使脉冲变压器的磁场崩溃，产生反冲电压，将能量传输到输出端。

三、实例演示文稿标题：基于变压器隔离的反激变换器拓扑结构演示内容：1.引言：介绍开关电源的重要性和应用领域，并介绍本文将重点介绍的反激变换器拓扑结构。

2.开关电源的工作原理：简要介绍开关电源的工作原理，包括输入端、变换器、控制电路和输出端的作用。

开关电源控制环路设计前馈环节通常由开关电源的输出电压或电流采样电路、误差放大器、比较器和PWM控制器等组成。

开关电源的输出电压或电流通过采样电路进行实时的电压或电流测量，并将测量值与设定值进行比较。

误差放大器将比较器输出的误差信号放大，并输出给PWM控制器。

PWM控制器根据误差信号调整开关管的导通和关断时间，从而控制开关电源输出电压或电流的稳定性。

反馈环节通常由输出电压或电流反馈回路组成。

反馈回路通过将开关电源输出电压或电流与参考电压或电流进行比较，得到误差信号，并将其输入到前馈环节的比较器中。

反馈环节的作用是通过不断地调整开关电源的工作状态，使输出电压或电流尽量接近设定值，并抵消部分外部环境的影响，以保持开关电源稳定工作。

在开关电源控制环路设计中，需要考虑诸多因素。

首先是前馈环节的设计。

前馈环节应具有高增益和低失真的特性，能够准确地将输出电压或电流的变化转换为误差信号，并将其输出给PWM控制器。

其次是PWM控制器的设计。

PWM控制器应能够按照误差信号的大小和方向，精确地调整开关管的导通和关断时间，并保持开关电源输出电压或电流的稳定性。

最后是反馈环节的设计。

反馈环节应能够准确地测量开关电源的输出电压或电流，并将其输入到前馈环节的比较器中。

同时，反馈环节还需考虑去除噪声和抑制振荡等问题，以保证闭环控制系统的稳定性和可靠性。

开关电源控制环路设计的关键是要平衡稳定性和动态响应速度。

稳定性是指开关电源在加载变化或输入电压波动等情况下，输出电压或电流能够尽快地恢复到设定值并保持稳定；而动态响应速度则是指开关电源对设定值的变化能够迅速地响应。

在设计中，需要根据具体的应用需求和制约条件，选择合适的控制算法、滤波器和补偿网络等，以使开关电源控制环路设计达到较好的稳定性和动态响应速度。

总之，开关电源控制环路设计是一个复杂而关键的任务。

它需要综合考虑前馈环节、反馈环节以及稳定性和动态响应速度等因素，以实现开关电源的稳定性和输出精度要求。

开关电源反馈环路设计开关电源是一种将输入直流电压转换为所需输出电压的电源装置。

为了实现稳定可靠的输出电压，开关电源需要建立反馈环路进行控制。

开关电源的反馈环路主要包括内部反馈环路和外部反馈环路。

内部反馈环路是指内部电路中的反馈控制电路，用于控制开关管的导通与截止，以维持输出电压的稳定。

外部反馈环路是指从输出端以回路的形式连接到内部反馈电路，通过比较输出电压与参考电压的差异，产生一个控制信号，用于调整开关电源的开关时间和频率，从而调整输出电压。

设计开关电源的反馈环路时，需要考虑以下几个方面：1.选择合适的参考电压源：参考电压源是反馈环路的重要组成部分，它提供一个稳定的参考电压，用作与输出电压进行比较的基准。

一般可选择使用稳压二极管、参考电压芯片或者精密电位器来作为参考电压源。

2.设计错误放大器：错误放大器是反馈环路中的核心部分，它承担着将输出电压与参考电压进行比较的作用，并产生一个误差信号。

常见的错误放大器有比较器、运算放大器等。

在设计选择错误放大器时，需要考虑它的稳定性、带宽、输入阻抗等因素。

3.设计补偿网络：由于开关电源在转换过程中存在一定的延迟、输出的电压下降等因素，所以需要通过补偿网络来减小这些不稳定因素对输出电压的影响。

常见的补偿网络包括零点补偿网络和极点补偿网络。

零点补偿网络主要通过增加相位较大的零点，来提高系统稳定性；极点补偿网络主要通过增加相位较小的极点，来提高系统的相位裕度。

4.设计输出滤波器：开关电源的输出电压通常包含一定的纹波，需要通过输出滤波器来降低纹波，使输出电压更加稳定。

输出滤波器一般由电感、电容和电阻组成，通过调整它们的数值和组合方式，可以实现对纹波的去除或衰减。

在进行开关电源反馈环路的设计时，还需要进行一系列的仿真和实验，包括频率响应的模拟分析、稳态和动态的性能测试等，以确保设计的反馈环路能够实现对输出电压的稳定控制。

总之，开关电源的反馈环路设计是一项复杂的任务，需要综合考虑电源的性能要求、稳定性要求和实际应用需求等因素，通过选择适当的参考电压源、设计错误放大器、补偿网络和输出滤波器等，来实现对输出电压的稳定控制。

开关电源环路设计及实例详解一、开关电源的基本原理开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源，其基本原理是通过开关管控制变压器的工作状态，从而实现对输入交流电进行变换、整流和稳压的过程。

开关电源具有输出功率大、效率高、体积小等优点，因此被广泛应用于各种电子设备中。

二、开关电源环路的组成1. 输入滤波器：用于滤除输入交流电中的高频噪声和杂波信号，保证后续环节能够正常工作。

2. 整流桥：将输入交流电转换为直流电信号。

3. 直流滤波器：用于滤除直流信号中的纹波和杂波信号，保证输出稳定。

4. 开关变换器：通过控制开关管的导通和截止状态来控制变压器的工作状态，从而实现对输入信号的变换。

5. 输出稳压器：用于对输出直流信号进行稳压处理，保证输出恒定。

三、开关电源环路设计步骤1. 确定输出功率和输出电压范围。

2. 选择合适的变压器。

3. 设计整流桥和直流滤波器。

4. 设计开关变换器，包括选择合适的开关管和控制电路。

5. 设计输出稳压器，包括选择合适的稳压芯片和反馈电路。

6. 进行整个电路的仿真和优化。

7. 进行实际电路的搭建和调试。

四、开关电源环路设计实例以12V/5A开关电源为例，进行具体设计。

1. 确定输出功率和输出电压范围：输出功率为60W，输出电压范围为11-13V。

2. 选择合适的变压器：根据需求选择带有多个二次侧绕组的变压器，其中一个二次侧用于提供控制信号，另一个二次侧用于提供输出信号。

通过计算得到变压比为1:2。

3. 设计整流桥和直流滤波器：采用全波整流桥结构，并选用大容量滤波电容进行直流滤波处理。

4. 设计开关变换器：选用MOS管作为开关管，并采用反激式结构进行设计。

控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）技术进行控制。

同时，在输入端加入输入滤波器进行滤波处理。

5. 设计输出稳压器：选用LM2576芯片进行稳压处理，通过反馈电路控制输出电压。

同时，加入输出滤波电容进行滤波处理。

6. 进行整个电路的仿真和优化：通过仿真软件进行各个环节的仿真和优化，保证整个电路的性能符合要求。

开关电源反馈设计除了磁元件设计以外，反馈网络设计也是开关电源了解最少、且非常麻烦的工作。

它涉及到模拟电子技术、控制理论、测量和计算技术等相关问题。

开关电源环路设计的目标是要在输入电压和负载变动范围内，达到要求的输出（电压或电流）精度，同时在任何情况下应稳定工作。

当负载或输入电压突变时，快速响应和较小的过冲。

同时能够抑制低频脉动分量和开关纹波等等。

为了较好地了解反馈设计方法，首先复习模拟电路中频率特性、负反馈和运算放大器基本知识，然后以正激变换器为例，讨论反馈补偿设计基本方法。

并介绍如何通过使用惠普网络分析仪HP3562A 测试开环响应，再根据测试特性设计校正网络和验证设计结果。

最后对仿真作相应介绍。

6.1 频率响应在电子电路中，不可避免存在电抗（电感和电容）元件，对于不同的频率，它们的阻抗随着频率变化而变化。

经过它们的电信号不仅发生幅值的变化，而且还发生相位改变。

我们把电路对不同频率正弦信号的输出与输入关系称为频率响应。

6.1.1 频率响应基本概念电路的输出与输入比称为传递函数或增益。

传递函数与频率的关系－即频率响应可以用下式表示600 )()(f f G Gϕ∠=&其中G (f )表示为传递函数的模（幅值）与频率的关系，称为幅频响应；而∠ϕ(f ) 表示输出信号与输入信号的相位差与频率的关系，称为相频响应。

典型的对数幅频响应如图6.1所示，图6.1(a)为幅频特性，它是画在以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴增益用20log G (f )表示。

图 6.1(b)为相频特性，同样以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴表示相角ϕ。

两者一起称为波特图。

在幅频特性上，有一个增益基本不变的频率区间，而当频率高于某一频率或低于某一频率，增益都会下降。

当高频增高时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为上限频率，或上限截止频率f H ，大于截止频率的区域称为高频区；在低频降低时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为下限频率，或下限截止频率f L ，低于下限截止频率的区域称为低频区；在高频截止频率与低频截止频率之间称为中频区。

开关电源控制环路设计（初级篇）电源联盟---高可靠电源行业第一自媒体在这里有电源技术干货、电源行业发展趋势分析、最新电源产品介绍、众多电源达人与您分享电源技术经验，关注我们，搜索微信公众号：Power-union，与中国电源行业共成长！开关电源控制环路设计（初级篇）1、环路和直流稳压电源的关系稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？原文档:开关电源控制环路设计（初级篇）下载方法：请看文章底部第一条留言2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。

■ 准则1：在穿越频率处，总开环系统要有大于30度的相位裕量；■ 准则2：为防止-2增益斜率的电路相位快速变化，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1（ -20db/10倍频程) ■ 准则3: 增益裕量是开环系统的模的度量，该变化可能导致曲线刚好通过-1 点。

一般需要6db的增益裕量。

备注：应当注意，并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1，但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕量，使系统保持稳定。

要满足上述的3个准则，我们需要知道开环系统所有环节的增益和相位情况，引入传递函数，零极点的概念可以很好的分析这个问题。

传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。

把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。

开关电源环路设计与计算开关电源是一种将输入的直流电转换为所需要的输出电压的电源。

其主要由开关元件、功率变压器、整流电路和滤波电路组成。

在进行开关电源的设计与计算时，需要考虑到输入电压范围、输出电压稳定性、功率转换效率、电磁干扰等因素。

首先，设计开关电源需要确定所需的输入电压范围和输出电压稳定性。

根据实际需求选择开关电源的输入电压范围，一般常见的输入电压为220V交流电。

对于输出电压稳定性的要求，需要根据实际应用来确定。

例如，对于电子设备来说，输出电压稳定性要求较高。

其次，需要选择开关元件和功率变压器。

开关元件一般选择功率MOSFET或IGBT，这两种开关元件都具有较高的开关速度和效率。

功率变压器则需要根据输出电压和输出功率来选择合适的型号。

然后，设计整流电路。

整流电路一般采用整流桥进行整流。

通过改变整流桥的二极管的导通方式，可以实现不同的输出电压。

最后，设计滤波电路。

滤波电路可以通过电感和电容的组合来实现对电源纹波的滤除。

通过计算电感和电容的取值，可以达到所需的滤波效果。

在进行开关电源的计算时，需要进行一系列的参数计算。

首先，需要计算开关元件的导通和关断损耗。

根据开关元件的参数，可以计算其导通状态下的功耗和关断状态下的功耗。

然后，需要进行功率变压器的设计和计算。

根据输入电压和输出电压的比值，可以计算变压器的变比。

同时，根据输出功率的大小，可以计算变压器的功率。

接下来，需要计算整流电路的输出电压和输出电流。

根据变压器的变比和整流电路的设计，可以计算输出电压和输出电流的大小。

最后，需要计算滤波电路的电感和电容的取值。

可以根据输出电压纹波的要求，选择合适的电感和电容。

除了上述的设计和计算，还需要考虑到开关电源的保护和安全性。

例如，需要添加过压保护、过流保护和短路保护等电路来保护开关电源和输出负载的安全。

总之，开关电源的设计与计算是一个复杂的过程，需要考虑到多个因素。

通过正确的设计和计算，可以实现稳定、高效、安全的开关电源。

开关电源控制环路设计稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■ 相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■ 增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。

■ 准则1：在穿越频率处，总开环系统要有大于30度的相位裕量；■ 准则2：为防止-2增益斜率的电路相位快速变化，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1（ -20db/10倍频程)■ 准则3: 增益裕量是开环系统的模的度量，该变化可能导致曲线刚好通过-1 点。

一般需要6db的增益裕量。

备注：应当注意，并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1，但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕量，使系统保持稳定。

要满足上述的3个准则，我们需要知道开环系统所有环节的增益和相位情况，引入传递函数，零极点的概念可以很好的分析这个问题。

传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。

把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。

由传递函数就可以绘制增益/相位曲线。

通过代数运算，把G(s)表示为G(s)=N(s)/D(s),其分子和分母都是s的函数，然后将分子和分母进行因式分解，表示成多个因式的乘积，即G(s)=N(s)/D(s)=[(1+s/2*pi*fz1)(1+s/2*pi*fz2)(1+/2*pi*fz3)]/[（s/2*pi*f0）*(1+s/2*pi*fp1)*( 1+s/2*pi*fp2)* (1+s/2*pi*fp3)]，分子中对应的频率fz为零点频率，而与分母中对应的频率称fp为极点频率。

开关电源的环路设计开关电源的环路设计可以分为三个基本阶段：输入滤波、稳压电路和输出滤波。

输入滤波是为了保护开关电源不受到噪音干扰而设计的。

这是通过输入电容器和电感器形成的LC滤波器来实现的。

在输入电容器的两端串联一个电感器就可以构成LC滤波器。

LC滤波器的作用是隔离输入AC 信号，并将噪声信号注入到地线。

稳压电路是为了保持开关电源的输出电压稳定而设计的。

它包括一个误差放大器、一个脉冲宽度调制器和一个电感器滤波器。

误差放大器可以检测输出电压，如果电压低于设定值，误差放大器就调整PWM信号来增加输出电压。

PWM信号使开关管的工作周期保持不变，但占空比发生变化。

电感器滤波器可以使输出电压更平滑，减少负载干扰。

输出滤波器可以消除由于PWM信号引起的高频噪声，并将噪声杂波注入地线。

输出电容器和电感器可以形成LC滤波器，并且这种滤波器和输入LC滤波器类似，使高频噪声注入地线。

在开关电源的环路设计中，需要考虑的一个重要因素是交叉互干扰。

所谓的交叉互干扰是指输入、输出和控制信号之间的相互影响。

设计师应最小化电路中不同元件之间的电感和电容，以减少交叉互干扰的影响。

另外，还要注意开关电源在额定负载下的稳定性。

如果负载电流或电压波动严重，将会导致输出电压的变化。

为了保持稳定性，可以选择适当的高功率输出管，以及适当的补偿电路。

在实际设计中，环路设计需要考虑到许多因素，如高温和高频噪声等环境因素，以保证开关电源的安全和稳定性。

总之，开关电源的环路设计关键在于实现有效的输入和输出滤波，并确保稳压电路的可靠性和稳定性。

6.4 开关电源闭环设计从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。

反馈越深，干扰引起的输出误差越小。

但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。

开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。

而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref ，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v ）也是固定的（U o =k v U ref ）。

开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。

对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。

如果恒流输出，就是电流串联负反馈。

如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。

因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V 或2.5V ，要求极小的动态电阻和温度漂移。

其次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。

一般功率电路、滤波和PWM 发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。

再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。

根据不同的电路条件，可以采用Venable 三种补偿放大器。

补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。

6.4.1 概述图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。

可以看出是一个负反馈系统。

开关电源控制环路设计（初级篇）电源联盟---高可靠电源行业第一自媒体在这里有电源技术干货、电源行业发展趋势分析、最新电源产品介绍、众多电源达人与您分享电源技术经验，关注我们，搜索微信公众号：Power-union，与中国电源行业共成长！开关电源控制环路设计（初级篇）1、环路和直流稳压电源的关系稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？原文档:开关电源控制环路设计（初级篇）下载方法：请看文章底部第一条留言2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■ 相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■ 增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。

■ 准则1：在穿越频率处，总开环系统要有大于30度的相位裕量；■ 准则2：为防止-2增益斜率的电路相位快速变化，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1（-20db/10倍频程)■ 准则3: 增益裕量是开环系统的模的度量，该变化可能导致曲线刚好通过-1 点。

一般需要6db的增益裕量。

备注：应当注意，并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1，但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕量，使系统保持稳定。

要满足上述的3个准则，我们需要知道开环系统所有环节的增益和相位情况，引入传递函数，零极点的概念可以很好的分析这个问题。

传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。

把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。

今天作为工程师，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示意图：单扱点递函数自己写吧，正好锻炼一下，把输出电压除以输入电压就是传递函数•bode 图可以简单的判定电路的稳定性，甚至可以确定电路的闭环响应，就向我下面的图中表 示的•零，极点说明了增益和相位的变化度以前使其增益降到 0dB.也叫主极点补偿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适用「传遥曲数为单极点的补弦R2/B1_______ 、I 2plR2C21 2piR2Cl14SR2C1G(i)=S R1C1(1^S R2C2)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。

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，降低开关躁声干扰串聯C1實質是增加一個零點，零點的作用是減小峰值時間，使系統響應加快，并且閉環越接近虛軸，這种效果越好•所以理論上講,C1是越大越好•但要考慮，超調量和調節時間，因爲零點越距离虛軸越近，閉環零點修正系數Q越大，而Q與超調量和調節時間成正比，所以又不能大總之，考慮閉環零點要折衷考慮.并聯C2實質是增加一個及點，級點的作用是增大峰值時間，使系統響應變慢.所以理論上講，C2也是越大越好.但要考慮到，當零級點彼此接近時，系統響應速度相互抵消.從這一點就可以說明，我們要及時響應的系統C1大,至少比C2大三：环路稳定的标准.只要在增益为1时（OdB）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1 2plR2C2 I 2plR5C ivR2/RVI 2piR?( I l ?piRK 3G(AsRlCUI si<2Cli(l+sR3C3)氐*丨丄伽叩htpp 尉川 pJwM' iri.irgm 妙-i ，n4 L krscd kjc )p pcdluwQU NL wp ntspom# 禎 ihc wra (Mjn )cT lyuem.阴 ^9.26) and 丹 TT\.險 vtncu 诃晌 of Q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度左右，工程上一般取45度以上•如下图所示52%■0-0T5G-at Q ・<nQ m Q >0 03 .0.001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OdB.在低于OdB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•四，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OdB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•—些解释：|----- s| | ------------------------|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1/2Fs;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1/6-1/10五,反激设计实例条件:输入85-265V交流，整流后直流100-375V输出12V/5A初级电感量370uH初级匝数：40T,次级:5T次级滤波电容1000uFX3=3000uF震荡三角波幅度•开关频率100K电流型控制时，取样电阻取欧姆下面分电压型和峰值电流型控制来设计此电源环路•所有设计取样点在输出小LC前面•如果取样点在小LC后面，由于受LC谐振频率限制，带宽不能很高.1）电流型控制假设用3842,传递函数如下th Kmitd*'KpWr*klr)a Kn» 1* ■】Rteuv*(l^D)1，tCRcrfi------- = -------------- 1 ___________"X•艮心Mm * t* | * 「* TL Tl+uU W I'inU C为■出电容Hu I収电111此图为补偿放大部分原理图.RHZ 的频率为33K,为了避免其引起过多的相移，一般取带宽为其 频率的1/4-1/5,我们取1/4为8K.分两种情况：I Hiiiin I I mini I I limn i i mini …TTmin 广怖「…T …rmii 『… I i u I mi l l limn i I iiiim I I ii mu100400(1+s 1225)*(1 s/$3K)G(s)= 194* -----------------------------1000uF/16V ESR=130m 欧姆输出滤波电容的内阻比较大，自身阻容形成的零点比较低 ，这样在8K 处的相位滞后比较小Phanseangle=arctan (弘arctan(8/-arctan(8 /33)=--22 度.另外可看到在 8K 处增益曲线为水平，所以可以直接用单极点补偿，这样可满足-20dB/decade1 (1)肚…UU uni ….…1 rSiWllll 1 1 IIIL —L 丄血电1丄Ljr.VIn Hill _____A)输出电容ESR 较大…丄.广口 TWi 「…厂TTmi 】「…T …「ITH1II I IIIIIIII I I lllllll I llllllll niniul 广r 仃涮…「门TIIII 「…I" I I I I I 川 II miniI44UI limnI III I 11(1 Qil)+出卅卜…44卄怖卜…上I I HI mi I I II mu I I iiimi i i limn …十计卄付卅…一卜.十卄”卅.-…卜-十忡时卅…十计卄卅卜…的曲线形状•省掉补偿部分的 R2,C1.设Rb 为,则R 仁[/]*Rb=.8K 处功率部分的增益为 -20*log(1225/33)+20*=因为带宽8K,即8K 处OdB所以8K 处补偿放大器增益应为，*log(Fo/8)=0Fo 为补偿放大器OdB 增益频率Fo=1/(2*pi*R1C2)=C2=1/(2*pi*R1*=1 /(2***=相位裕度：180-22-90=68 度仿真團* *空为功率都分，绿色光4偿祁分，红色为整个开环増益.008060402002040®D 刼 -100 -1 50 -200 -250 -300 -350 -400100 1000 1 0000 1 00000 1 000000Frequency (Hr)B)馨£哋9 ESRfrK •(1 ^s/5*3K)*(l-s/3SK)G(s)= 19.4* -----------------------------1000uF/25V ESR=30mgt^输出滤波电容的内阻比较大，自身阻容形成的零点比较高，这样在8K 处的相位滞后比较大Phanseangle=arctan(&-arctan(8 /-arctan(8/33)=-47 度.如果还用单极点补偿，则带宽处相位裕量为180-90-47=43度.偏小用2型补偿来提升.三个点的选取，第一个极点在原点，第一的零点一般取在带宽的 1/5左右,这样在带宽处提升相 位78度左右，此零点越低，相位提升越明显 但太低了就降低了低频增益 ，使输出调整率降低 此处我们取.第二个极点的选取一般是用来抵消ESR 零点或RHZ 零点引起的增益升高，保证增muJ I f I ITI111I llllll in iii i ujji 11HII1 1 11 1 1L…riiir^111miniIIIIIII■ » 1^ ■ ■I flllll 1UJJJI IIIIIU L±i Hft IInTiiin 11IIIIIInTIllli lHlUJlHill urn111川I ］耐毗I IIIIIII I I I lllira^l llllll \m …卜4出川 i i IIIIIII L 十卄 Hlft …十I ilium i iiiHiii i T-r ittmr …"r-tt+twt ■ t-ritmit ……! I lilllllI —r i riiiii TT f r ii F100(}imo益裕度•我们用它来抵消ESR零点，使带宽处保持-20db/10decade的形状，我们取ESR零点频率数值计算:8K 处功率部分的增益为-20*log(5300/ 33)+20*=-18dB因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB所以8K处补偿放大器增益应为18dB,处增益=18+20log(8/=水平部分增益=20logR2R仁推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2推出C2=1/(2**233K*==1 /2*pi*R2C1推出6= 1(2**233K*=.相位际电路中Q 值几乎不可能大于 4— 5.Phanse angle = 47 - 90+arttar^ 8/16 baictam 8/5.3)— 115 度 相位珞度* 180415=€5度*V 于=* ■3 V V ■■卢 F \L仿真图，2. ffe 压型控制・•武门同林设计帮宽药呂忆传谨鲂如下・禹频 MDX 电容的 ESR r Rc-iam Kfii. ■10 ^99(2*pi> 605Hxfo 为LC 谐振频率，注意Q 值并不是用的计算值，而是经验值，因为计算的Q 无法考虑LC 串联 回路的损耗（相当于电阻）,包括电容ESR 二极管等效内阻，漏感和绕组电阻及趋附效应等 •在实Gu V » Vc hin.d»ik F mr*Kl« ^klK --------------Vfi*tn X*U Df S1 !< Rd*|l*W“ <Vht - \X»)K«^4!*E&RS*I1 In -------- ------- --G<4)- \(i Vr = 16*0 J -50 - -100 -3 -150 r* -200 * | -250 - f -300 - -350 - *400 -110 1OT 1000 100001OT000 1000000Frequency 血工)11 1>^*KR«G^iia dB由于输出有LC 谐振，在谐振点相位变动很剧烈，会很快接近180度，所以需要用3型补偿放大 器来提升相位•其零，极点放置原则是这样的，在原点有一极点来提升低频增益，在双极点处放 置两个零点，这样在谐振点的相位为-90+(-90)+45+45=-90.在输出电容的ESR 处放一极点，来抵 消ESR 的影响，在RHZ 处放一极点来抵消 RHZ 引起的高频增益上升•元件数值计算，为方便我们把3型补偿的图在重画一下3 Lt 2|dR2C2 1 2piR3( 3k j ^—I ^SjRMUx^l/2plR2Cl USplRlC3适用于箱递函數 有敢楼皮的补偿90 —-— ■*. 卜—.・・・「y Z ・“一・ ・i■■■J i n^>・— 90 ---先计8S 功率部分瞅处的厝益’ 亦5】K,R1F94K 、26- 4010^5.3/0^05）-血啦的 3>15 3dB 尸靈緡到毗带宽，补翩吠98在磁处.麻平顶朗分的増益应15.3dB 収歩恵处増益为’- 15 3 JOto0（53/O dO5>3i^dBv从J 卜偿图上可远 此处増苕淘2血0国冰0-订①#t±jt R2-1 51*Rl-29 3K 1 贞 2，pTRl ・C ：3）-6Q5 一£>口上成卩 l^2*pt*R3*C3）-33K R3-355 欧姆* l/f2*pi*R2*Cl ）-«a5 CHftnFA l<2*fn*R2-C2>-5 3K OlnF.SR 8K 处葡相仏 卜］80+越如8/5.齐a （如8/33）1 时-90+2*5^8/0 605>3£j9g （8«_3p 議监翩（的了）］・亠12丘》 担位番加 180-116-54 $- “ 仿鼻结負如尺“兰色为功率部分，绿色为补偿部分，红色为整个开环增益如果相位裕量不够时，可适当把两个零点位置提前，也可把第一可极点位置放后一点同样假设光耦CTR=1如果用CTR 大的光耦，或加有其他放大时，如同时用IC 的内部运放，只需 要在波得图上加一个直流增益后，再设计补偿部分即可•这时要求把IC 内部运放配置为比例放(ltsR2Cl)(l UMC) ^R1C1(I- KR2C2H1 -»R3C3)大器，如果再在内部运放加补偿，就稍微麻烦一点，在图上再加一条补偿线结束我想大家看完后即使不会计算,出问题时也应该知道改哪里。

开关电源环路设计1 功率变换部分的小信号模型1.1 电压型控制1.1.1 开关电源的控制框图：Vg M1L1检测1.1.2 电压型开关电源电路小信号模型的传递函数：控制对输出：Gvd(s)=v/dG vd s ()G d01s ωz -1s Q ω0⋅+s ω0⎛ ⎝⎫⎪⎭2+⋅1.2 电流型控制Vg M1L1补偿网络检测电1.2.1 电流型的小信号模型的简化传递函数（电流连续）：BUCK Gvc(s)=R/(1+s*R*C)BOOST Gvc(s)=D’*R/2*(1-s*L/D’2/R)/(1+s*R*C/2)BUCK-BOOST Gvc(s)=-D’*R/(1+D)*(1-s*D*L/D’2*R)/[1+s*R*C/(1+D)]2 补偿网络的形式：2.1 超前补偿（PD）：Gc(s)=Gco*(1+s/Wz)/(1+s/Wp)常用于包含双极点的系统中，如BUCK电路，能增加环路带宽，同时保持适当的相位裕度。

低频零点Wz使补偿网络Gc的幅值随频率+20dB/dec增加，为此，要引入一个频率高一点的极点Wp来抵消Wz 在高频段的作用。

相位补偿最大处在fphmax=sqrt(fz*fp)，对应的幅值补偿是Gc*sqrt(fp/fz)。

为使补偿后，环路在fc处有最大的相位补偿，则补偿网络中的fz、fp按如下计算：fz=fc*sqrt[(1-sin(θ))/(1+sin(θ))] fp=fc*sqrt[(1+sin(θ))/(1-sin(θ))]2.2 滞后补偿（PI）：Gc(s)=Gc∞*(1+WL/s)常用于增加环路的低频增益，提高电源的稳压精度。

常用于具有单个极点的补偿，如电流型的补偿。

假设希望补偿后的开环传递函数的交越频率在fc，而未补偿的开环传递函数在fc处的增益是Tuo(dB)，则：Gc∞(dB)=-Tuo(dB)；补偿网络的转折频率fL应远小于fc，避免其对原有开环传递函数的相位裕度的影响，可以取fL=fc/102.3 超前滞后补偿（PID）：Gc(s)=Gcm*(1+WL/s)*(1+s/Wz)/(1+s/Wp1)/(1+s/Wp2)超前补偿用于增加相位裕度，滞后补偿用于提高稳压精度。

開關電源中反饋環路的組成Vin Vout系統總的增益為個部分增益的乘機常用的开关电压电源未补偿的开环传递函数Tu 可分为单极点和双极点两种，对于单极点一般采用PI （比例积分）补偿，双极点一般采用PID （比例积分微分）补偿。

也可以大致理解为电流型控制的采用PI 补偿，电压型控制的采用PID 补偿。

在開關電源的設計中，除了磁性元件的設計外，另外一項比較比較麻煩但是對系統穩定性非常重要的就是環路設計了，它不僅涉及到模擬電子電路技術，同時還涉及到自動控制，測量與計算技術，通常，電源設計時，主電路是根據應用要求設計的，控制環路的設計是在主功率部分設計完成后再考慮的，一般不會提前考慮控制環路的設計，其中：Kpwr，Kmod，Klc，Kfb分別表示功率部分開環增益，PWM控制部分開環增益，輸出濾波部分開環增益，輸出反饋增益，Kea為運放補償增益（通常所說的“調反饋”有很大一部分是集中在這一塊的，一般而言，電路拓撲結構一旦確定，Kpwr就不會有太大的更改，而Kmod要根據所選擇的IC datasheet進行調節，LC的選擇不僅要考慮系統的穩定，同時還要考慮電源的頻率，電源的輸出連波要求等因素，為了方便理解，我們先粗略的了解一下在電流控制型開關電源中常用的三種反饋補償方式以及相對應的BODE圖，下面在介紹它們的推導過程從而理解三種補償方式的由來Kpwr KlcKmod KeaKfb 光耦運放圖一：反激開關電源中常用的實際反饋補償電路其傳遞函數Kea=Iopto=(Vo-V1)/Rb補償方式一：單極點補償適用條件：補償方式二：極點零點補償適用條件：補償方式三：雙極點單零點補償電流型控制和DCM（斷續電流模式）並且電容的ESR零點頻率較低的電源系統，其主要作用是把環路中第一個極點和其餘的極點距離拉開，使相位達到180以前將增益降到0DB，結果會使補償后的最大帶寬小於補償前第一個極點的帶寬和主極點補償的條件近似，其極點相當于主極點中的極點，零點則是把第一個極點抵消，這時的帶寬可以達到第二個極點的帶寬，帶寬最大，這樣既達到可主極點補償的效果又增加了帶寬適用條件：補償方式四：三极点,双零点补偿（在反激拓撲中很少使用）適用條件：注：C1和R2串联是用来抑制低频时的100HZ 纹波的,在介紹補償方式的推導過程之前，先介紹一下幾個基本概念三：穿越頻率，相位裕量和增益裕量（如下圖所示）相位裕度是指环路增益为 0dB 的频率处的环路相位，增益裕度则是指环路相位为 360o 的频率处的环路增益穿越頻率是指增益曲綫穿越0dB線時對應的頻率適用於傳遞函數有雙極點的補償，輸出帶LC諧振的拓撲結構，如所有沒用電流型控制的電感電流連續方式拓撲結構中（公式中的傳遞函數進行了適當的工程近似）一：BODE圖：根據頻率特性繪製出的一種對數頻率特性曲綫，有兩部分組成，幅頻特性和相頻特性二：零點和極點 表示的是增益斜率變化的拐點，其中零點使增益斜率變化+1，極點使增益斜率變化-1適用於功率部分只有一個極點的補償，如所有電流型控制和非連續性電壓型控制，（公式中的傳遞函數進行了適當的工程近似）如圖所示，虛短：虛斷五：捲積 卷积的过程就是相当于把信号分解为无穷多的冲击信号，然后进行冲击响应的叠加。

开关电源控制环路分析摘 要开关电源被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

同时，开关电源也是反馈回路控制系统，所谓电路反馈，就是指将放大电路的输出量(电压或电流信号)的部分或全部，通过一定方式(元件或网络)返送到输入回路的过程，完成输出量向输入端回送的电路称为反馈元件或反馈网络。

关键词 零极点 幅值裕度 相位裕度1 引言稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。

下面先介绍三种控制方式的各种零，极点的幅频和相频特性，再对最常用的反馈调整器TL431的零、极点及特性进行分析。

Topswitch是市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，内部集成了一部分补偿功能，最后分析一个Topswitch设计的电源，对它的环路进行解剖。

2 环路补偿方式及TL431特性2.1 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。

图12.2 双极点，单零点补偿适用于功率部分只有一个极点的补偿，例如所有电流型控制和非连续方式电压型控制。

图22.3 三极点、双零点补偿适用于输出带LC谐振的拓扑，例如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑。

图32.4 TL431输出供电时的零极点特性TL431是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响。

图4其中：（1）（2）将(2)代入(1)得到：从上面的公式可以看到，在输出直接给431供电的情况下，零点的位置在1/[2π(R+R1)C]处，而不是1/(2πRC)。

即使没有R，只接一个C的情况下，零点还是存在，如果R1远大于R，零点的位置主要有反馈网络的上分压电阻决定。