反馈环路补偿设计-简述实例
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反馈信号的原理和应用实例概述反馈信号是指从输出中采样得到的信号再馈入系统输入端的一种信号。
反馈信号的应用广泛,不仅可以在电子电路中起到稳定系统的作用,还可以在控制系统、通信系统等领域发挥重要作用。
原理反馈信号的原理可以概括为以下几点:1.正反馈和负反馈:根据反馈信号对系统的作用方式不同,可以分为正反馈和负反馈两种。
正反馈是指反馈信号与输入信号具有同样的极性,会放大或增强输入信号,从而引起系统不稳定。
而负反馈是指反馈信号与输入信号极性相反,能够抑制输入信号,使系统保持稳定。
2.反馈环路的结构:一个典型的反馈环路包括一个传感器、一个误差放大器和一个执行器。
传感器从系统的输出中采样得到反馈信号,误差放大器将反馈信号与期望信号比较,计算出系统的误差,并输出控制信号给执行器,执行器根据控制信号对系统进行调节。
3.稳定性和性能优化:反馈信号可以提高系统的稳定性和动态性能。
通过合理的反馈控制,可以使系统响应时间更快,误差更小,从而提高系统的稳定性和性能。
应用实例反馈信号在各个领域都有广泛的应用,下面列举几个常见的应用实例:1. 电子电路中的反馈控制在电子电路中,反馈信号被广泛应用于放大电路和稳压电路中。
比如,在放大电路中,通过将输出信号的一部分反馈到输入端,可以减小输出对输入信号的依赖,提高放大电路的稳定性和线性度。
2. 控制系统中的反馈控制在控制系统中,反馈信号被用于控制系统的闭环控制。
通过采样输出信号并与期望信号进行比较,可以计算出系统的误差,并通过调节控制信号来实现系统的稳定控制。
例如,自动温度控制系统中的温度传感器采集环境温度,并通过与设定温度进行比较,控制加热或制冷设备的运行状态。
3. 通信系统中的反馈控制在通信系统中,反馈信号被用于自适应调节等技术中。
通过采样接收信号并与发送信号进行比较,可以调整发送信号的参数,使得接收信号在噪声干扰下更加稳定。
例如,自适应均衡技术中,接收端采样接收信号,并通过与发送信号进行比较,调节均衡器的参数,使得接收信号的等化效果更好。
开关电源环路补偿设计开关电源环路补偿设计在开关电源设计中,环路补偿是至关重要的一步。
环路补偿的正确设计可以提高电源的稳定性和效率,从而提供更为可靠的电源输出。
本文将针对开关电源的环路补偿设计,从三个方面进行阐述。
一、开关电源环路补偿的基本原理开关电源的环路补偿,是指将部分输出信号回馈到反馈端口,通过正反馈作用来改善系统的动态性能。
补偿的目的,是使电源输出稳定,对负载的响应性更好。
为了实现这一目的,设计师需要对开关电源的基本原理有深入的理解。
在开关电源中,电容、电感和频率之间的相互影响是至关重要的。
通过合理的组合设计,可以提高电源的效率,降低功耗。
二、开关电源环路补偿的设计方法开关电源的环路补偿设计方法,需要综合考虑多个参数,如响应时间、阻尼稳定性、相位裕度等。
其中,响应时间涉及到电路响应时间、电源传输函数以及负载条件,需要根据具体情况予以调整。
阻尼稳定性关系到系统的稳态稳定性,需要根据不同负载条件下的阻尼因素予以设计。
相位裕度涉及到极点间距,可以通过更改反馈回路的增益稳定性来达到较好的效果。
三、开关电源环路补偿的优化在实际电路中,由于电容、电感和负载等多种因素的影响,开关电源环路补偿存在一定的误差。
优化环路补偿,可以通过在电路中加入滤波电容、降低负载电感等措施,提高电源输出的稳定性。
此外,在滤波器的选型方面,选择与系统肖特基二极管参数相匹配的器件,可以较为有效地降低噪声和振荡。
总之,开关电源环路补偿对整个系统的性能至关重要。
一个合理的补偿设计将使电源输出变得更加稳定、高效,具有更好的响应性。
因此,在开发开关电源的过程中,我们应该时刻保持对环路补偿原理的理解,并综合考虑各种参数和因素,以达到最优的设计效果。
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拜师求学反馈环路设计、调式先去把自控原理(经典部分)看一遍,搞懂零,极点的概念,因为电源在小信号的情况下就是一个很典型的小相角系统,什么叫看懂,那到一个电源,一看反馈部分马上零,极点就可以写出来。
而PWM部分和滤波部分对固定的电路拓扑和控制形式(电压或电流),其零,极点都有响应的公式写出。
如果你要详细的数学计算,再去看自控的超前,滞后补偿部分,但这种计算来的一般不会太准,但可以作为一个调试的起点,最后的检测一般用电子负载做动态加减载实验就可以(专用仪器非常贵)。
一般的电源设电流变化率为1A/uS或5,10A/uS。
50-100%负载变化,看电压变化,如果电压很缓慢的回到稳态值,说明相角裕度太大,如果震荡2个周期以上回到稳态值,相角裕度一般只有二,三十度,太小,如果一个周期左右,则相角裕度一般为50-60度,正好。
当然如果电源本身就震荡,则震荡的频率就是你的环路的交越频率,既带宽,说明在此频率处相位移已经到了360度,解决的方法要么减小带宽:加大补偿的电容值,或加大反馈分压的电阻值,当你改变这些值不起作用时,要看环路的其他方面,既加零点,如TL431做反馈,当补偿电容加的很大还不行时,其实应该在其与光偶串联的支路加补偿(RC),这样增加了一个低频零点和一个高频极点,高频极点由于频率很高,不在环路带宽以内,对环路没有影响。
太多了,很难说完,我想说的是只要很明确的知道零,极点的概念,环路问题实际上很简单(当然,要正确的应用到电源里面来是花很多时间的,由于没有老师,我研究了近一年),也可以用相关软件来模拟,但并非易事,因为模型很难准确的建立,举个例子,如电压型控制的反击(CCM 工作方式),如果TL431只加一个补偿电容,用PSPICE模拟的结果基本上是不稳定的,但实际中大部分电源是稳定的,怎么解释,原因是输出滤波部分实际上并不是一个严格的二阶系统,由于绕组电阻,高频阻抗,二极管电阻,电容电阻,特别是次级损耗要等效为一个较大的电阻,这样两个极点并不会重合(二阶系统),它变成了两个不同频率的一阶系统的串联,所以它的相位移变化并不剧烈,加上其他零点的影响,相位并不会到360度,这是用PSIPCE模拟时要人为给二极管或电容加一个很大的电阻,如1欧姆,才会得出正确的结果。
开关电源反馈环路设计开关电源是一种将输入直流电压转换为所需输出电压的电源装置。
为了实现稳定可靠的输出电压,开关电源需要建立反馈环路进行控制。
开关电源的反馈环路主要包括内部反馈环路和外部反馈环路。
内部反馈环路是指内部电路中的反馈控制电路,用于控制开关管的导通与截止,以维持输出电压的稳定。
外部反馈环路是指从输出端以回路的形式连接到内部反馈电路,通过比较输出电压与参考电压的差异,产生一个控制信号,用于调整开关电源的开关时间和频率,从而调整输出电压。
设计开关电源的反馈环路时,需要考虑以下几个方面:1.选择合适的参考电压源:参考电压源是反馈环路的重要组成部分,它提供一个稳定的参考电压,用作与输出电压进行比较的基准。
一般可选择使用稳压二极管、参考电压芯片或者精密电位器来作为参考电压源。
2.设计错误放大器:错误放大器是反馈环路中的核心部分,它承担着将输出电压与参考电压进行比较的作用,并产生一个误差信号。
常见的错误放大器有比较器、运算放大器等。
在设计选择错误放大器时,需要考虑它的稳定性、带宽、输入阻抗等因素。
3.设计补偿网络:由于开关电源在转换过程中存在一定的延迟、输出的电压下降等因素,所以需要通过补偿网络来减小这些不稳定因素对输出电压的影响。
常见的补偿网络包括零点补偿网络和极点补偿网络。
零点补偿网络主要通过增加相位较大的零点,来提高系统稳定性;极点补偿网络主要通过增加相位较小的极点,来提高系统的相位裕度。
4.设计输出滤波器:开关电源的输出电压通常包含一定的纹波,需要通过输出滤波器来降低纹波,使输出电压更加稳定。
输出滤波器一般由电感、电容和电阻组成,通过调整它们的数值和组合方式,可以实现对纹波的去除或衰减。
在进行开关电源反馈环路的设计时,还需要进行一系列的仿真和实验,包括频率响应的模拟分析、稳态和动态的性能测试等,以确保设计的反馈环路能够实现对输出电压的稳定控制。
总之,开关电源的反馈环路设计是一项复杂的任务,需要综合考虑电源的性能要求、稳定性要求和实际应用需求等因素,通过选择适当的参考电压源、设计错误放大器、补偿网络和输出滤波器等,来实现对输出电压的稳定控制。
离散控制系统中的反馈与补偿设计离散控制系统是一种将连续时间信号转化为离散时间信号,并进行控制的系统。
在离散控制系统中,反馈与补偿设计起着至关重要的作用。
本文将介绍离散控制系统中的反馈与补偿设计的原理和方法。
1. 反馈控制设计反馈控制是离散控制系统中常用的控制方法之一。
其基本原理是根据系统的输出与期望输出之间的误差来调节控制器的输出,以使系统的性能得到改善。
在离散控制系统中,反馈控制的设计主要分为两个步骤:系统建模和控制器设计。
首先,需要对系统进行建模,得到系统的传递函数或状态空间表达式。
根据系统的特性,选择适当的控制器类型,如比例控制器、积分控制器、微分控制器或PID控制器等。
根据系统的特性和性能要求,调整控制器的参数,以实现期望的控制效果。
2. 补偿设计补偿设计是指在离散控制系统中,通过添加补偿器来改善系统的性能。
补偿器可以根据系统的特性和要求来设计,以提高系统的稳定性、抗干扰性和跟踪性能。
补偿器的设计可以采用频域设计方法或时域设计方法。
在频域设计方法中,可以使用根轨迹法、频率响应法或者Bode图法来设计补偿器。
在时域设计方法中,可以使用传统的校正器法或者通过优化算法来设计补偿器。
3. 组合反馈与补偿设计在实际的离散控制系统中,常常需要同时使用反馈控制和补偿设计来满足系统的性能要求。
组合反馈与补偿设计可以通过串级或并联的方式来实现。
串级控制是指将反馈控制和补偿器按照一定的顺序连接起来,使输出信号经过反馈和补偿后再输入下一个环节进行控制。
串级控制可以提高系统的稳定性和跟踪性能,在一定程度上抑制干扰。
并联控制是指将反馈控制和补偿器同时作用于系统中,分别对系统的输入和输出进行调节。
并联控制可以通过控制输出来改变输入信号,并实现一定的控制目标。
4. 实例分析为了更好地理解离散控制系统中的反馈与补偿设计,我们以温度控制系统为例进行分析。
假设我们需要设计一个温度控制器,使得系统的温度能够稳定在设定的值附近。
一些基本知识,零,极点的概念示意图:这里给出了右半平面零点的原理表示,这对用PSPICE做仿真很有用,可以直接套用此图.单极点补偿,适用于电流型控制和工作在DCM方式并且滤波电容的ESR零点频率较低的电源.其主要作用原理是把控制带宽拉低,在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180度以前使其增益降到0dB. 也叫主极点补偿.双极点,单零点补偿,适用于功率部分只有一个极点的补偿.如:所有电流型控制和非连续方式电压型控制.三极点,双零点补偿.适用于输出带LC谐振的拓扑,如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑.注:2,3中公式里面根据实际情况有些简化.一般C2<<C1.首先,没有笔误存在.1/R1C1确实一个在原点的极点.看上图,横轴是频率轴,竖轴是增益轴,从横轴往左时(低频),增益安20DB升高,往右时(高频),安20DB减少.C1的主要作用是和R2提升相位的.当然提高了低频增益.在保证稳定的情况下是越小越好.C2增加了一个高频极点,降低开关躁声干扰.补偿部分的输出我觉得应该是电流,我认为下面的这种传递函数推倒更能理解一些,请指点.这样推导出来的零点就同你上面推导的有差别了.环路稳定的标准.只要在增益为1时(0dB)整个环路的相移小于360度,环路就是稳定的.但如果相移接近360度,会产生两个问题:1)相移可能因为温度,负载及分布参数的变化而达到360度而产生震荡;2)接近360度,电源的阶跃响应(瞬时加减载)表现为强烈震荡,使输出达到稳定的时间加长,超调量增加.如下图所示具体关系.所以环路要留一定的相位裕量,如图Q=1时输出是表现最好的,所以相位裕量的最佳值为52度左右,工程上一般取45度以上.如下图所示:这里要注意一点,就是补偿放大器工作在负反馈状态,本身就有180度相移,所以留给功率部分和补偿网络的只有180度.幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的,所以设计时一般不用特别考虑.由于增益曲线为-20dB/decade时,此曲线引起的最大相移为90度,尚有90度裕量,所以一般最后合成的整个增益曲线应该为-20dB/decade部分穿过0dB.在低于0dB带宽后,曲线最好为-40dB/decade,这样增益会迅速上升,低频部分增益很高,使电源输出的直流部分误差非常小,既电源有很好的负载和线路调整率.四, 如何设计控制环路?经常主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计.我们的前提就是假设主功率部分已经全部设计完成,然后来探讨环路设计.环路设计一般由下面几过程组成:1) 画出已知部分的频响曲线.2) 根据实际要求和各限制条件确定带宽频率,既增益曲线的0dB频率.3) 根据步骤2)确定的带宽频率决定补偿放大器的类型和各频率点.使带宽处的曲线斜率为20dB/decade,画出整个电路的频响曲线.上述过程也可利用相关软件来设计:如pspice, POWER-4-5-6.一些解释:已知部分的频响曲线是指除Kea(补偿放大器)外的所有部分的乘积,在波得图上是相加.环路带宽当然希望越高越好,但受到几方面的限制:a)香农采样定理决定了不可能大于1/2 Fs; b)右半平面零点(RHZ)的影响,RHZ随输入电压,负载,电感量大小而变化,几乎无法补偿,我们只有把带宽设计的远离它,一般取其1/4-1/5;c)补偿放大器的带宽不是无穷大,当把环路带宽设的很高时会受到补偿放大器无法提供增益的限制,及电容零点受温度影响等.所以一般实际带宽取开关频率的1/6-1/10五,反激设计实例.条件: 输入85-265V交流,整流后直流100-375V输出12V/5A初级电感量370uH初级匝数:40T,次级:5T次级滤波电容1000uF X 3=3000uF震荡三角波幅度.2.5V开关频率100K电流型控制时,取样电阻取0.33欧姆下面分电压型和峰值电流型控制来设计此电源环路.所有设计取样点在输出小LC前面.如果取样点在小LC后面,由于受LC谐振频率限制,带宽不能很高.1) 电流型控制假设用3842,传递函数如下此图为补偿放大部分原理图.RHZ的频率为33K,为了避免其引起过多的相移,一般取带宽为其频率的1/4-1/5,我们取1/4为8K.分两种情况:A) 输出电容ESR较大输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较低,这样在8K处的相位滞后比较小.Phanse angle = arctan(8/1.225)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= --22度.另外可看到在8K处增益曲线为水平,所以可以直接用单极点补偿,这样可满足-20dB/decade的曲线形状.省掉补偿部分的R2,C1.设Rb为5.1K, 则R1=[(12-2.5)/2.5]*Rb=19.4K.8K处功率部分的增益为-20* log(1225/33)+20* log19.4 = -5.7dB因为带宽8K,即8K处0dB所以8K处补偿放大器增益应为5.7dB, 5.7-20* log( Fo/8)=0Fo为补偿放大器0dB增益频率Fo= 1/(2*pi*R1C2)=15.42C2= 1/(2*pi*R1*15.42)=1/(2*3.14*19.4*15.42)=0.53nF相位裕度: 180-22-90=68 度输出滤波电容的内阻比较大,自身阻容形成的零点比较高,这样在8K处的相位滞后比较大.Phanse angle = arctan(8/5.3)-arctan(8/0.033)-arctan(8/33)= -47度. 如果还用单极点补偿,则带宽处相位裕量为180-90-47=43度.偏小.用2型补偿来提升.三个点的选取,第一个极点在原点,第一的零点一般取在带宽的1/5左右,这样在带宽处提升相位78度左右,此零点越低,相位提升越明显,但太低了就降低了低频增益,使输出调整率降低,此处我们取1.6K.第二个极点的选取一般是用来抵消ESR零点或RHZ零点引起的增益升高,保证增益裕度.我们用它来抵消ESR零点,使带宽处保持-20db/10 decade 的形状,我们取ESR零点频率5.3K数值计算:8K处功率部分的增益为-20* log(5300/33)+20* log19.4 = -18dB因为带宽8K,即最后合成增益曲线8K处0dB所以8K处补偿放大器增益应为18dB, 5.3K处增益=18+20log(8/5.3)=21.6 dB水平部分增益= 20logR2/R1=21.6 推出R2=12*R1=233Kfp2=1/2*pi*R2C2 推出C2=1/(2*3.14*233K*5.4K)=127pF.fz1=1/2*pi*R2C1 推出C1=1/ (2*3.14*233K*1.6K)=0.427nF.相位fo 为LC谐振频率,注意Q值并不是用的计算值,而是经验值,因为计算的Q无法考虑LC串联回路的损耗(相当于电阻),包括电容ESR,二极管等效内阻,漏感和绕组电阻及趋附效应等.在实际电路中Q值几乎不可能大于4—5.由于输出有LC谐振,在谐振点相位变动很剧烈,会很快接近180度,所以需要用3型补偿放大器来提升相位.其零,极点放置原则是这样的,在原点有一极点来提升低频增益,在双极点处放置两个零点,这样在谐振点的相位为-90+(-90)+45+45=-90.在输出电容的ESR处放一极点,来抵消ESR的影响,在RHZ处放一极点来抵消RHZ引起的高频增益上升.元件数值计算,为方便我们把3型补偿的图在重画一下.兰色为功率部分,绿色为补偿部分,红色为整个开环增益.如果相位裕量不够时,可适当把两个零点位置提前,也可把第一可极点位置放后一点.同样假设光耦CTR=1,如果用CTR大的光耦,或加有其他放大时,如同时用IC的内部运放,只需要在波得图上加一个直流增益后,再设计补偿部分即可.这时要求把IC内部运放配置为比例放大器,如果再在内部运放加补偿,就稍微麻烦一点,在图上再加一条补偿线结束.我想大家看完后即使不会计算,出问题时也应该知道改哪里.我的图是用POWER-4-5-6仿真的,它里面含有简化版本的PSPICE.你可以用ORCAD来仿真,用行为模型库(ABM)里面的ELAPLACE把传递函数填进去就行了.电路仿真稍微麻烦一点.下面是归一化的电压型控制功率部分的小信号模型,据此加上控制部分就全了.如果不明白就去再学习了,我不可能从头讲起.下面是根据上面的图建立的一个实际仿真图,由于一点地方不方便说,所以省略掉了,可以根据具体的电路去补一下.把三部分拼接起来,如果我一起放上来,就看不清了.从这个图,可以看到PSPICE里面仿真变压器的另外一种方法.电流型的小信号模型就更简单了(当然是用的简单模型,复杂模型会很复杂),把控制电压到输出滤波的部分用一个压控电流源代替就行了,其增益为Ns/Rsense,Ns为电流互感器的变比,Rsense为电流采样电阻,如果直接用电阻采样,Ns等于1.。