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【10周年】用simplis驗證環路理論(四)

在這個帖子里,我們來看真正的閉環仿真,以及如何借助仿真工具來設計環路補償。
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2013-07-26 14:17

首先我們來看一個簡單的電壓型控制buck

 

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2013-07-26 14:19
@sometimes
首先我們來看一個簡單的電壓型控制buck[圖片] 
這里除了簡單的buck電路,其中V5是小信號擾動源,X2是理想運放,U2是比例分壓器(將運放輸出電壓等比例降低,而且限制最大輸出電壓為1V),U1是比較器,V2是鋸齒波發生器。
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2013-07-26 14:45
@sometimes
這里除了簡單的buck電路,其中V5是小信號擾動源,X2是理想運放,U2是比例分壓器(將運放輸出電壓等比例降低,而且限制最大輸出電壓為1V),U1是比較器,V2是鋸齒波發生器。

那么在確定環路參數之前,我們先來看從運放的輸出到buck的輸出的bode圖

如何測試,看下圖

 

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2013-07-26 14:48
@sometimes
這里除了簡單的buck電路,其中V5是小信號擾動源,X2是理想運放,U2是比例分壓器(將運放輸出電壓等比例降低,而且限制最大輸出電壓為1V),U1是比較器,V2是鋸齒波發生器。

希望師長能講解一下flyback,光耦反饋,輸出端還加有LC濾波,這種系統的環路該如何仿真啊

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2013-07-26 14:50
@sometimes
那么在確定環路參數之前,我們先來看從運放的輸出到buck的輸出的bode圖如何測試,看下圖[圖片] 

 

這是仿真結果

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2013-07-26 14:50
@silverpuma
希望師長能講解一下flyback,光耦反饋,輸出端還加有LC濾波,這種系統的環路該如何仿真啊
這個請等等,一步一步來
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2013-07-26 14:53
@sometimes
[圖片] 這是仿真結果

從這個結果我們可以看到,運放輸出到buck輸出的bode圖,這個圖中可以得到以下信息:

直流增益為24db左右

在1K~2K之間有一對雙極點,在10K~20K之間有一個零點。

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2013-07-26 14:59
@sometimes
從這個結果我們可以看到,運放輸出到buck輸出的bode圖,這個圖中可以得到以下信息:直流增益為24db左右在1K~2K之間有一對雙極點,在10K~20K之間有一個零點。

從前面的帖子可以得知實際上

雙極點位置:1.6KHz

零點位置:16KHz


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2013-07-26 15:19
@sometimes
從前面的帖子可以得知實際上雙極點位置:1.6KHz零點位置:16KHz

得知這些信息之后,我們就要開始設計反饋參數了。

首先:我們要確定采樣電阻的大小(R3,R4)

第一步,確定R3,R4的比例,這個容易,根據基準電壓和輸出電壓,很容易就能得到。

第二步,確定R3,R4確切的值,那么先要知道這個運放的輸入偏置電流Ibias。知道Ibias之后,你就要保證采樣電阻上的電流是Ibias的一千倍以上。這樣才能保證Ibias不影響你輸出電壓的精度。

假如這個運放的Ibias最大是1uA, 那么采樣電阻上的電流應該大于1mA.

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2013-07-26 22:25
@sometimes
這個請等等,一步一步來
都寫完了置頂推薦!~
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2013-07-27 10:55
@sometimes
得知這些信息之后,我們就要開始設計反饋參數了。首先:我們要確定采樣電阻的大小(R3,R4)第一步,確定R3,R4的比例,這個容易,根據基準電壓和輸出電壓,很容易就能得到。第二步,確定R3,R4確切的值,那么先要知道這個運放的輸入偏置電流Ibias。知道Ibias之后,你就要保證采樣電阻上的電流是Ibias的一千倍以上。這樣才能保證Ibias不影響你輸出電壓的精度。假如這個運放的Ibias最大是1uA,那么采樣電阻上的電流應該大于1mA.

那么下一步,就要確定,你期望中的環路波特圖。

首先我們需要明確幾點:

1.開關電源環路的帶寬應該選多大?從理論上來說,開關電源的最大帶寬可以做到開關頻率的1/6-1/3.但是實際上,通常控制在開關頻率的1/10之內。在這個例子里,開關頻率是500Khz,那么我們把帶寬控制在50KHz之內。

2.環路的主要穩定判據?環路的穩定判據為,在增益0db處,相位余量要超過45度。如果簡單的從增益曲線來判斷,就是要求增益曲線穿越0db線的時候,以單極點特性(20db/10倍頻)曲線穿過。而且如果接下去高頻處還有極點的話,這個極點應該高于帶寬頻率10倍以上。


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2013-07-27 11:05
@sometimes
那么下一步,就要確定,你期望中的環路波特圖。首先我們需要明確幾點:1.開關電源環路的帶寬應該選多大?從理論上來說,開關電源的最大帶寬可以做到開關頻率的1/6-1/3.但是實際上,通常控制在開關頻率的1/10之內。在這個例子里,開關頻率是500Khz,那么我們把帶寬控制在50KHz之內。2.環路的主要穩定判據?環路的穩定判據為,在增益0db處,相位余量要超過45度。如果簡單的從增益曲線來判斷,就是要求增益曲線穿越0db線的時候,以單極點特性(20db/10倍頻)曲線穿過。而且如果接下去高頻處還有極點的話,這個極點應該高于帶寬頻率10倍以上。

我們看上面的bode圖,可以發現,從16Khz之后,該bode圖增益曲線就是單極點特性了。

而且可以看到,在50Khz處,該增益大概為-25db。

那么如果,我們把這個增益曲線整體上抬25db,理論上來說,穿越頻率就會在50Khz,而且是以單極點特性穿越的。



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2013-07-27 11:14
@sometimes
我們看上面的bode圖,可以發現,從16Khz之后,該bode圖增益曲線就是單極點特性了。而且可以看到,在50Khz處,該增益大概為-25db。那么如果,我們把這個增益曲線整體上抬25db,理論上來說,穿越頻率就會在50Khz,而且是以單極點特性穿越的。

接下去,我們就要來設計環路補償來符合上面的思路。

按照上面的原理圖,我們采用一個簡單的RC補償,也即是有一個零極點,一個零點。

假如我們選這個零點處于低頻處,來抵消這個零極點。

這里先選C2=100nF

接下去確定補償帶來的增益平臺,也就是R7/R3,上面我們說到,這個增益平臺需要25db,也就是17.88.那么如果R3是20K,R7就要選356K。

那么可以的根據C2,R7得到那個零點為4.5Hz


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2013-07-27 11:18
@sometimes
接下去,我們就要來設計環路補償來符合上面的思路。按照上面的原理圖,我們采用一個簡單的RC補償,也即是有一個零極點,一個零點。假如我們選這個零點處于低頻處,來抵消這個零極點。這里先選C2=100nF接下去確定補償帶來的增益平臺,也就是R7/R3,上面我們說到,這個增益平臺需要25db,也就是17.88.那么如果R3是20K,R7就要選356K。那么可以的根據C2,R7得到那個零點為4.5Hz

那么我們先來測試一下,單純的運放電路的bode圖

 

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2013-07-27 11:22
@sometimes
那么我們先來測試一下,單純的運放電路的bode圖[圖片] 

看一下bode圖

可以看到,零點的位置,增益平臺的大小,符合上面的理論設計。 

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2013-07-27 11:29
@sometimes
看一下bode圖[圖片]可以看到,零點的位置,增益平臺的大小,符合上面的理論設計。 

最后,我們來看一下最終的bode圖,測試電路如下:

 

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2013-07-27 11:30
@sometimes
最后,我們來看一下最終的bode圖,測試電路如下:[圖片] 

bode圖結果如下:

 

可以看到,穿越頻率為50Khz左右,相位余量大概為72度,滿足理論設計。

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2013-07-27 11:51
@sometimes
bode圖結果如下:[圖片] 可以看到,穿越頻率為50Khz左右,相位余量大概為72度,滿足理論設計。

最后附上電路圖,供有興趣的朋友自己玩玩。

 

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2013-07-29 21:03

接下去,我們來看看電流型控制boost

 

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2013-07-31 15:40
@sometimes
接下去,我們來看看電流型控制boost[圖片] 

我們先來看誤差放大電壓到輸出的bode圖

 

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2013-07-31 15:46
@sometimes
我們先來看誤差放大電壓到輸出的bode圖[圖片] 

 

看bode圖,可以看到,在10K之前,基本上是單級點特性。

10K以后包含了,esr零點,右半平面零點,和一個斜率補償帶來的極點。

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2013-07-31 15:49
@sometimes
[圖片] 看bode圖,可以看到,在10K之前,基本上是單級點特性。10K以后包含了,esr零點,右半平面零點,和一個斜率補償帶來的極點。

顯然,我們可以先嘗試采用一對零極點的補償方式。

讓閉環之后的帶寬小于10K。

也就是加一個零極點,還有一個低頻零點。

不過需注意的是,在10K左右,上面曲線的增益還沒有降到零。

那么必須注意R7要小于R6.

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2013-07-31 15:52
@sometimes
顯然,我們可以先嘗試采用一對零極點的補償方式。讓閉環之后的帶寬小于10K。也就是加一個零極點,還有一個低頻零點。不過需注意的是,在10K左右,上面曲線的增益還沒有降到零。那么必須注意R7要小于R6.

那么以下圖為仿真對象:

 

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2013-07-31 15:55
@sometimes
那么以下圖為仿真對象:[圖片] 

得到bode圖

 

可以看到穿越頻率為1K多,而且相位余量接近90度。

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2013-07-31 16:00
@sometimes
得到bode圖[圖片] 可以看到穿越頻率為1K多,而且相位余量接近90度。

既然相位余量有足夠大,那么考慮增大帶寬。

把R7改為75K,得到bode

 

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2013-07-31 16:09
@sometimes
既然相位余量有足夠大,那么考慮增大帶寬。把R7改為75K,得到bode[圖片] 

從這張圖可以看到,帶寬增加到7K左右,而相位余量降到60度。

這個依然滿足要求,但是看相位到達0度的頻率點,增益大概為-6db。

這個就是所謂的增益余量,-6db。而通常要求-12db才顯得可靠。(這個標準不是一定的,通常來說-6db是可以接受的,但是保守來說,可以選擇-12db)

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2013-07-31 16:41
@sometimes
從這張圖可以看到,帶寬增加到7K左右,而相位余量降到60度。這個依然滿足要求,但是看相位到達0度的頻率點,增益大概為-6db。這個就是所謂的增益余量,-6db。而通常要求-12db才顯得可靠。(這個標準不是一定的,通常來說-6db是可以接受的,但是保守來說,可以選擇-12db)

為了解決這個問題,我們來增加一個極點(C3)

 


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2013-07-31 16:45
@sometimes
為了解決這個問題,我們來增加一個極點(C3)[圖片] 

來看bode圖

 

可以看到,增益余量接近-12db,但是可惜的是,相位余量降到40多度。

但是顯然這些都是要折衷考慮的。

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mko145
LV.8
30
2013-08-02 19:07
好貼!
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2013-08-09 10:47
接下去,我們要來看一個,光耦加431反饋的反激例子。
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