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電源設計中的環路控製學習之路

日期:2019-05-20 23:10
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摘要:電源設計中的環路控製學習之路

電源設計中的環路控製學習之路

(原貼來源世紀電源網http://bbs.21dianyuan.com/thread-148232-1-1.html)

1)工程應用級:

(這也隻是我目前勉強達到的層次)利用已有的軟硬資源指導和輔助設計過程,達到一個好的Performance即可.

軟資源,比如前輩們推導出的常用拓撲現成的POWER STAGE傳遞函數,及各種誤差網絡校正模型,使用Matlab,MathCAD等數學軟件輔助仿真;

硬資源,比如FRA頻率相應分析儀可以直接先測定Power stage+pwm+Pout fliter+Psample的BODT PLOT,

再根據自身實際帶寬和性能需求確定閉環BODE PLOT

做減法,去選擇適合的EA-Network,然後確定其周邊參數,進行校驗,再優化,trial & error的方法。

 

2)理論建模級:

擁有超凡控製意識,全方位的理論知識去擬合並實現各種拓撲的small signal controlling模型。是我所膜拜的。

 

限於自身水平,所以我在這裏隻是挖坑埋自己,為自己寫墓誌銘,不一定入得了大俠大師的法眼,還望擔待海涵。 

 

 

環路學習之一:“蘿卜根”

初次接觸到環路控製,那是很久很久以前了,嗬嗬,其實也沒多久,那時候我們所有的評估項目中有一個可選項目,因為很難做(需要割開trace然後串進一顆小電阻,然後根據不知所以然的作業指導書去測試,測到的圖形就連team leader也不知如何判斷)所以大家都沒有主動去做的,我作為一個小蝦米,當然也是敬而遠之了,當時我們親切的稱這個測試項目做“蘿卜根”,後來很長時間也都是停留在此概念,直到兩年前一次偶然的機會才知道其確切含義是LOOP GAIN,即環路增益。

 

 

但是我想LOOP GAIN這樣的叫法也是不完整的,因為對於控製回路的頻率分析手法,不**於增益,還有相位的延遲。 (看來我對增益的概念理解的狹隘了,增益是頻率分析中使用模+相角表示的一種方法,所以Loop Gain是準確的)

使反饋係統進入不穩定狀態所需增加的環路增益,環路增益是頻率的複數(向量)。增益為其模,相位為其相角。(引自神奇的電在此帖中論述)http://www.21dianyuan.com/bbs/bbshome/topic.php?action=show_topic_tree&topic_id=149674

 

 

環路學習之二:一次意外培訓 

記得幾年前元旦剛過,公司比較清閑,team leader為我們爭取到了一次公費上海培訓三天的機會。是張占鬆老師和另外一個叫張心益的老師主講,前幾天還看到壇子裏有人問相關的培訓是否有價值,對我來說是有的,很有。

因為就是這次培訓讓我知道TL431周圍那幾顆神秘莫測的電阻電容設計用意。用張占鬆老師的話來講它們就是“秤砣”,因為時間很短,所以在當場隻是對BODE圖的合成留下印象,因為bode圖半對數的特性,所以對應頻率是可以直接相加減的……

這次培訓張老師關於小信號控製的講解雖然隻有短短2小時,但是卻勾起了我很多回憶,

大二下半學期上模電時老師講的bode圖,做實驗手繪半對數坐標;

大三上班學習自控老師講的負反饋,PID調節,零極點、比例放大、微分積分環節、傳遞函數……

很多概念飄進了我的腦海,我激動了,上學時學到的這些枯燥無味,完全無用的東西突然之間就能指導實踐指導設計了,我很興奮。 

我還想起了我們實驗室那個花了大價錢買的測試“蘿卜根”的儀器,雖然後來因為有些客戶的評估項目中要求加入此項評估,所以一些工程師還是硬著頭皮對著作業指導書在做那個我敬而遠之的“蘿卜根”,

 

 

當時在上課的時候我突然就有了一種想去擺弄擺弄的想法,我回來打開了軟件,F1調出了User manual, 啃得很費勁,一邊啃者一邊把之前其他工程師測試過的結果拿過來研究,還近乎瘋狂的在網絡上搜尋環路相關的所有信息。但是大家都普遍有個習慣,就是費勁搜索來得資料未必會花更多的時間去消化,隻是躺在硬盤的某個角落裏……

終於,老板派下任務來了,培訓歸來,總要給大家分享一下培訓的內容嘛,不能就這麼好吃好喝的伺候著,也不用上班,就去逛上海的街道。 

過完元旦,鄰近春節手頭的活多起來了,所以年前老板沒有再提,隻是想著年後的例行月分享會上肯定是逃不掉的,所以就利用業餘的時間,根據當時張老師講課的思路,把下載的資料各種拚湊,總算是交了差,當時報告了整整1個小時,報告完了,老板的評價就是聽的快睡著了,接觸過環路的都知道要講清楚實在太多內容了,而且知識很生疏,甚至講的時候,自己腦海裏也泛出很多疑問。 

但是經過這次洗禮,我總算是知道了判斷環路穩定的條件,後來翻了模電書,發現在“負反饋放大電路的穩定性”一節也是有的提到,隻是上學的時候不知是翹課了還是正好在跟前後桌玩兒沒聽到,總歸是沒什麼印象。

經過這次培訓,不僅讓我踏上了環路學習這條不歸路,同時也讓我係統的了解了一下開關電源各個模塊的具體實現方式。為我從模糊的模塊概念到參數化開關電源各模塊編織了脈絡……

 

環路學習之三:管中窺豹 

開關電源控製回路的學習不但牽扯到開關電源本身的功率環節(Power Stage)功率變換和濾波器的概念、還牽扯到反饋回路(Feed Back)很多自動控製理論的分析手法和判據。

從頻域和時域交互分析,指導實踐。 

今天先自己羅列一些能夠想得到的應用於開關電源控製回路的概念,希望大家也能腦力激蕩,參與其中,補足並完善,我們再將這些概念和方法編織成網,形成係統。 

控製理論相關概念和方法: 

負反饋、網絡、開環、閉環、帶寬、阻抗變換、傳遞函數、模、相角、增益、相位、裕度、穿越頻率、零點、極點、比例、微分、積分、PID調節、補償、相位提升、

參考輸入、誤差放大、振蕩、穩定、阻尼、品質因數、階躍響應、 

拉普拉斯(s)、複頻域(jw)、BODE圖,根軌跡圖、奈奎斯特圖,奈奎斯特采樣定律、香農定律

 

開關電源功率變換相關概念及方法: 

DCM、CCM、右半平麵零點、斜率補償、

 

涉及相關零件: 

采樣電阻、放大器、TL431、光耦、偏置電阻、IC及相關補償網絡、RLC網絡、PFC控製回路、寄生參數

 

功率環節建模相關概念和方法: 

 

因為我涉及太淺,所以引用斜陽古道版主發表在電源網論壇的一段信息,在此特別鳴謝古道版主在此方麵的研究和工作。(以下黑體字標示部分) 

1.小信號分析法:

主要是狀態空間平均法,由美國加裏福尼亞理工學院的R.D.Middlebrook於1976年提出,可以說電力電子學領域建模分析的一個真正的重大突破.後來出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學者張興柱於1986年提出)、三端開關器件法等,這些均屬於電路平均法的範疇.

平均法的缺點是明顯的,對信號進行了平均處理,不能有效地進行紋波分析;不能準確地進行穩定性分析;對諧振類變換器可能不大適合;關鍵的一點是平均法所得出的模型與開關頻率無關,且適用條件是電路中的電感電容等的自然頻率必須要遠低於開關頻率才會較高.

 

2.大信號分析法:有解析法,相平麵法,大信號等效電路模型法,開關信號流法,n次諧波三端口模型法,KBM法及通用平均法.還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生於1994年提出的等效小參量信號分析法.一種方法個人認為較有生命力,能夠進行輸出的紋波分析,不僅適用於PWM變換器也適用於諧振類變換器.

下一步本人將想掌握狀態空間平均法(雖然有一些缺點,但畢竟是為經典的方法,且準確性在一定的條件下還較高),及稍微了解丘水生教授的等效小參量信號分析法,因為它突出的優點是能夠用數學表達式分析輸出紋波.

建模的目的是為了仿真,還能進行穩定性分析,關鍵的是它能夠指導我們設計出合適有效的反饋回路.

 

我所涉及的大概就是這些概念,一個人的力量是有限的,肯定不能窮盡開關電源控製環路分析中所使用的方法和概念,所以希望有大師可以幫忙指出。 

 

這就是我從管中窺看到的開關電源控製環路相關概念,雖然對於初學者看著可能有些玲琅滿目,但概念畢竟是概念。還是我開頭提到的,看咱們想達到一個什麼樣的層次,是應用層次還是建模層次。如果想更深層次的涉及,那就需要盡可能多,盡可能深層次的去理解這些概念,我隻是管中窺豹,隻見一斑。 

希望知道更多的大俠大師指教其中的欠缺和不當,希望對其中某些概念缺乏了解的去加強去學習。 

畢竟知識是存在壁壘的,有時候想知道想了解並為之付出卻不一定會有所突破,就跟單戀喜歡的女人一樣,控製回路建模之於我就是壁壘,就是我單戀的女人。 

 

 

環路學習之四:過程總結及展望 

就我而言,無論是對控製環路還是其他知識技能的學習都普遍遵循以下的過程: 

一、定性了解-概念化

1)了解概念,

2)理解概念,

3)探尋概念對應用的指導意義,

4)建立關於本概念經典模型的使用體驗,

 

二、定量分析-參數化

5)試探主要影響參數對使用性能的改變特性;

6)將參數與實際應用結合分析;

7)逐步加入寄生參數影響

 

三、優化分析-模型化

8)對所有參數進行二分法的分析,掌握其相互之間的製約性;

9)通過仿真等手段進行參數調節,得出不同的搭配體驗;

10)應用於實際,驗證模型及參數使用的準確性,進一步精益參數及模型。

 

四、建模分析

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