開關電源環路補償講解之開關電源反饋環路如何調試設計分析集合分享

作為電子工程師，每天接觸電源的設計工程師，發現不管是電源的老手，高手、新手，幾乎對控制環路的設計一籌莫展，基本上靠實驗。當然，靠實驗是可以的，但出問題時往往無從下手，在這里我想以反激電源為例子(在所有拓撲中環路是最難的,由于RHZ 的存在)，大概說一下電源的環路控制，具體怎么設計，然后是如何計算的，至少使大家在有問題的時候，能夠從理論上分析出解決問題的思路。

先簡單介紹下，環路設計中用到的一些基本知識。

電源中遇到的零極點

以上為示意圖，主要說明不同零極點的概念，不代表實際位置

電源控制環路常用的3種補償方式

單極點補償

適用于電流型控制和工作在DCM 方式并且濾波電容的ESR 零點頻率較低的電源.其主要作用原理是把控制帶寬拉低,在功率部分或加有其他補償的部分的相位達到180 度以前使其增益降到0dB. 也叫主極點補償。

雙極點、單零點補償

適用于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方式電壓型控制。

三極點、雙零點補償

適用于輸出帶LC諧振的拓撲，如所有沒有用電流型控制的電感電流連續方式拓撲。以上公式中假設C2<

環路穩定的標準

只要在增益為1 時(0dB)整個環路的相移小于360 度，環路就是穩定的。

但如果相移接近360度,會產生兩個問題：

相移可能因為溫度，負載及分布參數的變化而達到360 度而產生震蕩；

接近360度，電源的階躍響應(瞬時加減載)表現為強烈震蕩，使輸出達到穩定的時間加長，超調量增加。如下圖所示具體關系：

所以環路要留一定的相位裕量，如圖Q=1時輸出是表現最好的，所以相位裕量的最佳值為52度左右，工程上一般取45度以上。如下圖所示：

這里要注意一點，就是補償放大器工作在負反饋狀態，本身就有180度相移，所以留給功率部分和補償網絡的只有180度。幅值裕度不管用上面哪種補償方式都是自動滿足的，所以設計時一般不用特別考慮。由于增益曲線為-20dB/decade時，此曲線引起的最大相移為90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成的整個增益曲線應該為-20dB/decade部分穿過0dB。在低于0dB帶寬后，曲線最好為-40dB/decade，這樣增益會迅速上升，低頻部分增益很高，使電源輸出的直流部分誤差非常小，既電源有很好的負載和線路調整率。

如何設計控制環路？

經常主電路是根據應用要求設計的，設計時一般不會提前考慮控制環路的設計。我們的前提就是假設主功率部分已經全部設計完成，然后來探討環路設計。環路設計一般由下面幾過程組成：

1）畫出已知部分的頻響曲線；

2）根據實際要求和各限制條件確定帶寬頻率,既增益曲線的0dB頻率；

3）根據步驟2)確定的帶寬頻率決定補償放大器的類型和各頻率點。使帶寬處的曲線斜率為20dB/decade，畫出整個電路的頻響曲線。

上述過程也可利用相關軟件來設計，如pspice，POWER-4-5-6。

以下是一些解釋：

已知部分的頻響曲線是指除Kea(補償放大器)外的所有部分的乘積，在波得圖上是相加。

環路帶寬當然希望越高越好，但受到幾方面的限制：

a）香農采樣定理決定了不可能大于1/2Fs;

b）右半平面零點(RHZ)的影響，RHZ隨輸入電壓，負載，電感量大小而變化，幾乎無法補償，我們只有把帶寬設計的遠離它，一般取其1/4-1/5;

c）補償放大器的帶寬不是無窮大，當把環路帶寬設的很高時會受到補償放大器無法提供增益的限制，及電容零點受溫度影響等。所以一般實際帶寬取開關頻率的1/6-1/10。

為幫助大家盡快掌握開關電源環路補償設計、應用，熟悉自動控制理論的基礎知識，如零點/極點概念、對系統的影響，伯德圖、相位裕度、穿越頻率等，到什么是環路補償，補償在電路中的位置及作用、如何設置，再結合經驗設計，從功率等級、補償類型模型電路，學會電源環路補償整個完整的項目流程，全方位為幫助您解決各種電源環路設計上的難題。為此，小編精選了十本經典的開關電源（SMPS）環路補償系列入門進階書籍，供大家學習參考。

1.Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies

中文譯名：為線性和開關電源設計控制回路：教程指南。本書主要介紹了使用SPICE仿真設計開關電源，巴索的經典開關電源著作之一。作為應屆生和經驗豐富的工程師，提供了非常寶貴的SPICE模擬和實用設計的理論、案例指導。解釋了如何推導目前最流行的電源轉換器的創建方法，本書搭配了600多幅開關電源模型，在使用焊錫之前，可以利用本書提供的案例，在SPICE電腦端模擬使用開關電源。

2.Switch-Mode Power Supplies：SPICE Simulations and Practical Designs

對于市場上很多開關電源的書籍，要么過于學術，跟實際世界缺乏聯系，要么就是太過于實用，缺乏設計實例中所需要用的大多數形式的理論基礎。本書通過提供技術性的內容，來填補大部分電源工程師，在“實用性設計”方面的技術空缺。比如：第3章補償技術，不僅描述了運算放大器，而且很多教科書帶有的行業標準TL431，在本書里也有會重點介紹到，例程中會提供一些流程的SPICE編輯器演示例子，提供目前市場上PSIM、Transim、Tina、Multisim、Intusoft多種演示電路模擬。

3.開關電源SPICE仿真與實用設計

推薦的第2本書的中文譯版，推薦大家閱讀英文原版基礎上，可以借鑒讀一下中文版本，加深對電源書籍的理論實踐部分的理解。本書特色是給出完整的開關電源變換器的理論、仿真設計方法，只給出必需的理論方程，同時通過大量的實例介紹來仿真分析。

4.Linear Circuit Transfer Functions

一本講解沒有繁瑣代數的情況下，以更系統的方式計算網絡的傳遞函數。書里有很多例程，所有的答案和技巧，教你如何使用SPICE和MathCAD來雙重檢查。對于電子電路，電氣工程師等專業人士學習很有趣，也很有用。

5.Power Electronics Converte rs, Applications, and Design（電力電子轉換器的應用和設計）

本書提供完整英文原版PDF+經典講義+超詳細全套課后答案

電力電子轉換器應用與設計第2版，英文原版，Ned Mohan著。本書介紹了500Kw功率范圍內的轉換器應用及相關設計，由新一代功率半導體器件構成的各種實用的、新興的電力電子轉換器。對二極管整流器、晶閘管轉換器的擴展討論，以及關于散熱器的新章節，一步步介紹設計方法的磁性元件，數字技術和常用的仿真軟件工具（如SPICE、MATLAB和EMTP）等電路模擬仿真。

6.Power Electronics Handbook - Devices, Circuits, and Applications （2011）電力電子手冊 - 器件、電路和應用

電力電子手冊第3版旨在吸引新一代的工程專業人員，本書包含四個章節內容，涵蓋了可再生能源、能源傳輸、能源儲存，以及分布式和熱電聯產(DCG)技術的介紹，包括燃氣輪機、發電機組、微型渦輪機、風力渦輪機、變速發電機、光伏發電和燃料電池。學習本書，能夠為指定的電力電子設計項目提供技術設計領導，并引導設計從概念到生產，到涉及重大的范圍和復雜性的實際應用。

7.DC-to-DC Power Conversion（DC-DC電源轉換器）

電力電子領域涵蓋了所有的工程和科學領域處理電能的轉換。每個電力電子領域都有其自身的理論框架、基本原則、分析方法，以及工程學科。本書旨在提供對從事某一特定領域工作的學生、研究人員和工程師，對于電力電子-脈沖寬度調制（PWM）直流到直流電源轉換的技能要求。

8.Electric Circuits-10th edition - by James W. Nilsson&James W. Nilsson

一本國外的《電路》經典教材，《Electric Circuits》第十版，作者是詹姆斯。本書適用于想系統了解電路的學生、工程師群體，這本書是近25年來使用最廣泛的電路入門教材。提供給學員個性化的學習、輔導，通過電路分析幫助解決如何使用技術，與實際工程師面臨的問題相關聯，如何評估問題，理解基本方程式和概念理論，幫助學員專注于電路中的關鍵原理。

9.Fast Analytical Techniques for Electrical & Electronic Circuits（電路電子快速分析技術）

目前大多數工程師和學生都知道的電路分析，唯一方法大都是節點或回路分析。這本書獨特之處在于，作者描述了解決復雜線性電路符號的形式，和獲得任何傳遞函數或阻抗等有意義參數的替代技術，為工程師提供了一整套解決電路設計問題的強大工具，也提供了讀者對于電路操作的理解。

10.開關變換器的建模與控制

本書系統論述了開關變換器建模與控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技術以及實用設計方法。主要內容有：連續導電模式（CCM）下開關變換器建模；斷續導電模式（DCM）下開關變換器建模；開關調節系統的基礎知識；電壓控制型開關調節系統；平均電流控制型開關調節系統；峰值電流控制型開關調節系統；開關變換器的仿真技術；諧振變換器建模。

十本開關電源（SMPS）必讀經典環路補償設計與分析叢書，資料截圖如下：

為幫助電源設計新手，工程師能夠更好地理解開關電源補償設計，單獨給初學者準備了TI經典環路補償設計入門教程+學習視頻（視頻地址，請私聊助教單獨索取觀看鏈接~）包括且不限于如下內容：電源轉換拓撲器分類、控制環路基礎知識、電壓/電流模式升/降壓功率級、誤差放大器、開關穩壓器補償、環路測試方法、負載階躍分析、環路測量...