开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正等

geren2014

学习环路控制快一年了，学过的知识需要时常归纳总结，才能不断进步。发个贴，就是希望能够记录自己在环路控制学习道路的成长。
论坛里关于环路控制的经典帖子，几乎讨论到了开环电源环路控制的方方面面，同时，我们会经常看到一些大师前辈的身影
   坦白讲，作为不知天高地厚的freshman，我不知道自己能不能总结出来一些有新意的东西，但是，我觉得，总结不仅仅是对知识的梳理，更重要的是对自己的过去有个交代。
   所谓总结，要有侧重点，我认为，过于理论化的推导，对工程设计实践并无太大的帮助，作为应用工程师，我们最关心的还是那些能够指导工程实践的”有用“的理论、方法...鉴于此，先拟定个目录，避免跑偏（即总结的内容必须与实际设计相关，并力求言简意赅、逻辑严谨、通俗易懂），另外，不涉及仿真：


1.开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正等
这部分内容主要从控制系统的角度对开关电源进行功能划分，介绍开环、闭环、稳定性等，在此基础上介绍开关电源系统校正，并试图从理论上解释线性调整率、负载调整率、输出稳态误差等产生的原因。Bode图是工程技术领域最常用的分析工具，如何应用到开关电源环路设计？
1.1开关电源系统
1.2开环、闭环系统
1.3开关电源的动态、稳态
1.4补偿校正
开关电源的系统框图、开环、闭环、稳定性、系统校正等
1.1开关电源系统
众所周知，开关电源是一个典型的闭环控制系统，而且是一个高度非线性时变系统。一般而言，涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究，不过，基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂，我相信，没有受过研究生教育的工程师是很难看懂那些艰深晦涩的公式的，反正我是看不懂。而基于传递函数经典控制理论虽然模型不够精确，但是在实际工程应用中取得了非常不错的效果。
记得上学的时候，我的控制理论老师告诉我，在现代工业系统设计中，95%以上的自动控制系统都是用经典控制理论去分析设计完成的。所以，以下对开关电源环路控制的分析总结，均不涉及现代控制论（对于矩阵分析，说实话我也是只停留在概念中，虽学过，但无法跟实际应用联系起来），基于传递函数的经典控制论，经过几十年的发展，应经相当成熟，物理概念清晰，而且通俗易懂。
我认为，学习环路控制，要做的第一件事是：在脑海中建立自动控制系统的概念。 尤其是反馈控制系统。
补充一下传递函数的概念：
控制理论中的传递函数（特指线性系统），定义为系统输出量拉氏变换与系统输入拉氏变换的之比。
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开始正题...
下图是一个典型的反馈控制系统的框图：
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在反馈控制系统中，控制器对被控对象施加的控制作用是取自被控量（即输出量）的反馈信息，用来不断地修正被控量与给定值之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制任务，这就是反馈控制的原理。
（以上出自《自动控制原理》第一章）。
对于一个实际的系统而言，往往伴随着外界的扰动，则系统的输出将会受到扰动的影响：
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开关电源是一个典型的反馈控制系统，将上图对应到开关电源：
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在开关电源的环路分析中，通常我们把误差放大器部分叫做补偿电路（Compensation Circuit），把PWM发生器和功率拓扑（正激、反激、半桥、全桥.....）合并叫做功率级（Power Stage），于是有：
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实际上，我们所说的环路控制，主要是在补偿电路（Compensation Circuit）上下功夫。
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实际电路，电流模式控制反激变换器为例：




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对于反激变换器，功率级主要包括控制IC、MOS、变压器、整流滤波。功率级的功能是执行能量的传输(即执行机构和控制对象），在实际设计中，我们会根据拓扑结构、输入输出电压范围、传输功率大小、温升、尺寸等要求，来对功率级各部分元器件参数进行设计、选型，一般而言，在特定的约束条件下，功率级的设计没有太大的灵活性，经验占有相当大的比重。
补偿电路（Compensation Circuit）的功能是将采样后的输出电压与基准电压（给定值）相比较，并对比较后的偏差信号进行放大，进而去控制功率级传输能量的大小，使输出电压服从给定值。我们常说的环路补偿设计，指的就是补偿电路（Compensation Circuit）几个电阻电容参数的合理选取，在实际设计中，根据不同的性能指标要求（如低噪声、低动态过冲、快速动态响应等），补偿电路（Compensation Circuit）的设计灵活性非常高。
所以，以后的内容着重围绕补偿电路（Compensation Circuit）来展开，在此之前，需要阐述一些概念性的东西，为后续内容做铺垫。