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电源设计中的环路控制学习之路

电源设计中的环路控制学习之路

(原贴来源世纪电源网http://bbs.21dianyuan.com/thread-148232-1-1.html)

1)工程应用级:

(这也只是我目前勉强达到的层次)利用已有的软硬资源指导和辅助设计过程,达到一个好的Performance即可.

软资源,比如前辈们推导出的常用拓扑现成的POWER STAGE传递函数,及各种误差网络校正模型,使用Matlab,MathCAD等数学软件辅助仿真;

硬资源,比如FRA频率相应分析仪可以直接先测定Power stage+pwm+Pout fliter+Psample的BODT PLOT,

再根据自身实际带宽和性能需求确定闭环BODE PLOT,

做减法,去选择适合的EA-Network,然后确定其周边参数,进行校验,再优化,trial & error的方法。

 

2)理论建模级:

拥有超凡控制意识,全方位的理论知识去拟合并实现各种拓扑的small signal controlling模型。是我所膜拜的。

 

限于自身水平,所以我在这里只是挖坑埋自己,为自己写墓志铭,不一定入得了大侠大师的法眼,还望担待海涵。 

 

 

环路学习之一:“萝卜根”

初次接触到环路控制,那是很久很久以前了,呵呵,其实也没多久,那时候我们所有的评估项目中有一个可选项目,因为很难做(需要割开trace然后串进一颗小电阻,然后根据不知所以然的作业指导书去测试,测到的图形就连team leader也不知如何判断)所以大家都没有主动去做的,我作为一个小虾米,当然也是敬而远之了,当时我们亲切的称这个测试项目做“萝卜根”,后来很长时间也都是停留在此概念,直到两年前一次偶然的机会才知道其确切含义是LOOP GAIN,即环路增益。

 

 

但是我想LOOP GAIN这样的叫法也是不完整的,因为对于控制回路的频率分析手法,不仅限于增益,还有相位的延迟。 (看来我对增益的概念理解的狭隘了,增益是频率分析中使用模+相角表示的一种方法,所以Loop Gain是准确的)

使反馈系统进入不稳定状态所需增加的环路增益,环路增益是频率的复数(向量)。增益为其模,相位为其相角。(引自神奇的电在此帖中论述)http://www.21dianyuan.com/bbs/bbshome/topic.php?action=show_topic_tree&topic_id=149674

 

 

环路学习之二:一次意外培训 

记得几年前元旦刚过,公司比较清闲,team leader为我们争取到了一次公费上海培训三天的机会。是张占松老师和另外一个叫张心益的老师主讲,前几天还看到坛子里有人问相关的培训是否有价值,对我来说是有的,很有。

因为就是这次培训让我知道TL431周围那几颗神秘莫测的电阻电容设计用意。用张占松老师的话来讲它们就是“秤砣”,因为时间很短,所以在当场只是对BODE图的合成留下印象,因为bode图半对数的特性,所以对应频率是可以直接相加减的……

这次培训张老师关于小信号控制的讲解虽然只有短短2小时,但是却勾起了我很多回忆,

大二下半学期上模电时老师讲的bode图,做实验手绘半对数坐标;

大三上班学习自控老师讲的负反馈,PID调节,零极点、比例放大、微分积分环节、传递函数……

很多概念飘进了我的脑海,我激动了,上学时学到的这些枯燥无味,完全无用的东西突然之间就能指导实践指导设计了,我很兴奋。 

我还想起了我们实验室那个花了大价钱买的测试“萝卜根”的仪器,虽然后来因为有些客户的评估项目中要求加入此项评估,所以一些工程师还是硬着头皮对着作业指导书在做那个我敬而远之的“萝卜根”,

 

 

当时在上课的时候我突然就有了一种想去摆弄摆弄的想法,我回来打开了软件,F1调出了User manual, 啃得很费劲,一边啃者一边把之前其他工程师测试过的结果拿过来研究,还近乎疯狂的在网络上搜寻环路相关的所有信息。但是大家都普遍有个习惯,就是费劲搜索来得资料未必会花更多的时间去消化,只是躺在硬盘的某个角落里……

终于,老板派下任务来了,培训归来,总要给大家分享一下培训的内容嘛,不能就这么好吃好喝的伺候着,也不用上班,就去逛上海的街道。 

过完元旦,邻近春节手头的活多起来了,所以年前老板没有再提,只是想着年后的例行月分享会上肯定是逃不掉的,所以就利用业余的时间,根据当时张老师讲课的思路,把下载的资料各种拼凑,总算是交了差,当时报告了整整1个小时,报告完了,老板的评价就是听的快睡着了,接触过环路的都知道要讲清楚实在太多内容了,而且知识很生疏,甚至讲的时候,自己脑海里也泛出很多疑问。 

但是经过这次洗礼,我总算是知道了判断环路稳定的条件,后来翻了模电书,发现在“负反馈放大电路的稳定性”一节也是有的提到,只是上学的时候不知是翘课了还是正好在跟前后桌玩儿没听到,总归是没什么印象。

经过这次培训,不仅让我踏上了环路学习这条不归路,同时也让我系统的了解了一下开关电源各个?榈木咛迨迪址绞。为我从模糊的?楦拍畹讲问氐缭锤髂?楸嘀寺雎纭

 

环路学习之三:管中窥豹 

开关电源控制回路的学习不但牵扯到开关电源本身的功率环节(Power Stage)功率变换和滤波器的概念、还牵扯到反馈回路(Feed Back)很多自动控制理论的分析手法和判据。

从频域和时域交互分析,指导实践。 

今天先自己罗列一些能够想得到的应用于开关电源控制回路的概念,希望大家也能脑力激荡,参与其中,补足并完善,我们再将这些概念和方法编织成网,形成系统。 

控制理论相关概念和方法: 

负反馈、网络、开环、闭环、带宽、阻抗变换、传递函数、模、相角、增益、相位、裕度、穿越频率、零点、极点、比例、微分、积分、PID调节、补偿、相位提升、

参考输入、误差放大、振荡、稳定、阻尼、品质因数、阶跃响应、 

拉普拉斯(s)、复频域(jw)、BODE图,根轨迹图、奈奎斯特图,奈奎斯特采样定律、香农定律

 

开关电源功率变换相关概念及方法: 

DCM、CCM、右半平面零点、斜率补偿、

 

涉及相关零件: 

采样电阻、放大器、TL431、光耦、偏置电阻、IC及相关补偿网络、RLC网络、PFC控制回路、寄生参数

 

功率环节建模相关概念和方法: 

 

因为我涉及太浅,所以引用斜阳古道版主发表在电源网论坛的一段信息,在此特别鸣谢古道版主在此方面的研究和工作。(以下黑体字标示部分) 

1.小信号分析法:

主要是状态空间平均法,由美国加里福尼亚理工学院的R.D.Middlebrook于1976年提出,可以说电力电子学领域建模分析的一个真正的重大突破.后来出现的如电流注入等效电路法、等效受控源法(该法由我国学者张兴柱于1986年提出)、三端开关器件法等,这些均属于电路平均法的范畴.

平均法的缺点是明显的,对信号进行了平均处理,不能有效地进行纹波分析;不能准确地进行稳定性分析;对谐振类变换器可能不大适合;关键的一点是平均法所得出的模型与开关频率无关,且适用条件是电路中的电感电容等的自然频率必须要远低于开关频率才会较高.

 

2.大信号分析法:有解析法,相平面法,大信号等效电路模型法,开关信号流法,n次谐波三端口模型法,KBM法及通用平均法.还有一个是我国华南理工大学教授丘水生先生于1994年提出的等效小参量信号分析法.一种方法个人认为较有生命力,能够进行输出的纹波分析,不仅适用于PWM变换器也适用于谐振类变换器.

下一步本人将想掌握状态空间平均法(虽然有一些缺点,但毕竟是为经典的方法,且准确性在一定的条件下还较高),及稍微了解丘水生教授的等效小参量信号分析法,因为它突出的优点是能够用数学表达式分析输出纹波.

建模的目的是为了仿真,还能进行稳定性分析,关键的是它能够指导我们设计出合适有效的反馈回路.

 

我所涉及的大概就是这些概念,一个人的力量是有限的,肯定不能穷尽开关电源控制环路分析中所使用的方法和概念,所以希望有大师可以帮忙指出。 

 

这就是我从管中窥看到的开关电源控制环路相关概念,虽然对于初学者看着可能有些玲琅满目,但概念毕竟是概念。还是我开头提到的,看咱们想达到一个什么样的层次,是应用层次还是建模层次。如果想更深层次的涉及,那就需要尽可能多,尽可能深层次的去理解这些概念,我只是管中窥豹,只见一斑。 

希望知道更多的大侠大师指教其中的欠缺和不当,希望对其中某些概念缺乏了解的去加强去学习。 

毕竟知识是存在壁垒的,有时候想知道想了解并为之付出却不一定会有所突破,就跟单恋喜欢的女人一样,控制回路建模之于我就是壁垒,就是我单恋的女人。 

 

 

环路学习之四:过程总结及展望 

就我而言,无论是对控制环路还是其他知识技能的学习都普遍遵循以下的过程: 

一、定性了解-概念化

1)了解概念,

2)理解概念,

3)探寻概念对应用的指导意义,

4)建立关于本概念经典模型的使用体验,

 

二、定量分析-参数化

5)试探主要影响参数对使用性能的改变特性;

6)将参数与实际应用结合分析;

7)逐步加入寄生参数影响

 

三、优化分析-模型化

8)对所有参数进行二分法的分析,掌握其相互之间的制约性;

9)通过仿真等手段进行参数调节,得出不同的搭配体验;

10)应用于实际,验证模型及参数使用的准确性,进一步精益参数及模型。

 

四、建模分析

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