开关电源闭环系统

带光耦双闭环反激式开关电源小信号模型分析双闭环反激式开关电源是一种常用的电源拓扑结构，它通过光耦将反馈信号隔离开来，提高了系统的稳定性和可靠性。

下面将对带光耦的双闭环反激式开关电源进行小信号模型分析。

首先，我们需要了解双闭环反激式开关电源的基本原理。

该电源由两个闭环组成，分别是输入参考闭环和输出参考闭环。

在输入参考闭环中，输出电压通过反馈电路与输入电压进行比较，然后根据比较结果控制开关管的开关时间，从而实现对输出电压的调节。

在输出参考闭环中，输出电压与参考电压进行比较，再根据比较结果反馈到输入参考闭环中，形成一个闭环控制系统。

小信号模型分析是一种通过线性化的方式对非线性系统进行分析的方法。

对于双闭环反激式开关电源，我们可以将其分解为输入参考闭环和输出参考闭环的小信号模型，然后再将两个模型串接起来进行分析。

首先，我们来分析输入参考闭环的小信号模型。

假设输入电压为Vin，输出电压为Vout，开关管的导通时间为DT。

根据开关电源的原理，我们可以将其简化为一个比例放大器和一个开关模型的级联。

在比例放大器中，我们可以将输出电压表示为输入电压的放大倍数乘以一个增益，即Vout = A*Vin。

在开关模型中，我们可以将其表示为一个斜率为-1/DT，幅值为Vin/DT的脉冲信号。

将两个模型串接起来，可以得到输入参考闭环的小信号模型。

接下来，我们来分析输出参考闭环的小信号模型。

假设输入电压为Vref，输出电压为Vout，比例放大器的增益为KA，另外还有一个积分控制器。

在输出参考闭环中，我们可以将输出电压表示为输入参考电压的放大倍数乘以一个增益，再加上积分器的输出电压，即Vout = KA*Vref +1/s*Vi。

其中，Vi为积分器的输入电压。

将输出参考闭环的小信号模型与输入参考闭环的小信号模型进行串接，可以得到整个双闭环反激式开关电源的小信号模型。

对于该小信号模型，我们可以进行频域分析和时域分析。

在频域分析中，可以通过计算幅频特性和相频特性来评估系统的稳定性和频率响应。

开关电源闭环反馈响应及测试开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流。

反馈控制环路的设计影响到许多因素，包括电压调整、稳定性和瞬态响应。

当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的相位延迟等于360 时，反馈控制环路将会产生振荡。

稳定性通常用下面两个参数来衡量：相位裕量:当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360 间的差值，以度为单位表示。

增益裕量:当总相位延迟为360 时，增益低于单位增益的量，以分贝为单位表示。

对多数闭环反馈控制系统，当环路增益大于0dB时，相位裕量都大于45 （小于315 ）。

当环路相位延迟达到360 时，增益裕量为-20dB或更低。

如果这些条件得到满足，控制环将具有接近最优的响应；它将是无条件稳定的，即不会阻尼过小也不会阻尼过大。

通过测量在远远超出控制环通常操作带宽的情况下控制环的频率响应，可以保证能够反映出所有可能的情况。

一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线。

测量是利用一个GP102增益相位分析仪（一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器）进行的，然后输入到电子表软件中。

在这一例子中，从0dB增益交点到360 测量得到的相位裕量为82 （360 到278 ）。

从0dB增益交点到相位达到360 的增益裕量为-35dB。

把这些增益和相位裕量值与-20dB增益裕量和60 相位裕量的目标值相比较，可以肯定被测试电源的瞬态响应和调节是过阻尼的，也是不可接受的。

0dB交点对应的频率为160Hz，这导致控制环的响应太慢。

理想情况下，在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的，考虑到非常保守的增益和相位裕量，不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性。

当然需要对误差放大器补偿器件进行一些小的改动。

进行修改后，可以对控制环重新进行测试以保证其无条件稳定性。

通常可利用频率响应分析仪（FRA）或增益-相位分析仪进行这种测量。

这些仪器采用了离散傅里叶变换（DFT）技术，因为被测信号经常很小且被掩盖在噪声和电源开关台阶所产生的失真中。

开关电源工作原理超详细解析开关电源（Switching Power Supply）是一种先将输入交流电转换为直流电，再通过变换器和开关元件进行调制和控制，最终输出所需电压和电流的电源装置。

它可以高效地进行能量转换，减少功耗，适用于各种电子设备。

下面将详细解析开关电源的工作原理。

1.开关电源的基本组成开关电源由输入滤波器、整流器、脉宽调制器、变压器、输出滤波器和反馈电路组成。

-输入滤波器：用于滤除输入电源中的干扰信号，并平滑输送到整流器。

-整流器：将交流电转换为直流电，常用的整流方式有全波整流和半波整流。

-脉宽调制器：根据反馈信号调整开关管的导通时间，控制开关元件的开关频率和占空比。

-变压器：将输入电压转换为所需的输出电压，并通过与脉宽调制器协调工作来控制输出电压的稳定性。

-输出滤波器：用于平滑输出电压，减少纹波幅度，并滤波输出电流。

-反馈电路：通过采样输出电压并与目标电压进行比较，产生反馈信号控制脉宽调制器的输出。

2.工作原理-输入滤波：交流电经过输入滤波器后，去除干扰信号，并保持电压稳定。

输入滤波器通常由电容和电感组成，它们通过电压和电流的交替变化，将输入电源趋于稳定。

-变压：通过变压器将输入电压进行转换，以获得需要的输出电压。

变压器一般由磁性材料、绕线、磁心等组成，通过众多的绕线匝数比实现输入电压于输出电压的变化。

-输出滤波：经过变压器的输出信号包含较多的纹波幅度，通过输出滤波器将纹波幅度减小到可以忽略不计的程度。

输出滤波器通常包括电感和电容，通过滤除高频杂波和平滑输出电流。

3.脉宽调制脉宽调制器是开关电源中至关重要的一个部件，负责控制开关元件（如晶体管或MOSFET）的开关频率和占空比，以调节输出电压的稳定性。

- 控制开关频率：脉宽调制器根据输出电压的需求，采用不同的控制方式，例如固定频率PWM（Pulse-Width Modulation）、可变频率PWM和电流模式控制。

通过调整开关频率，可以实现对输出电压的精确控制。

开关电源中的比较常见的双重环路及其应用
工程师都知道，开关电源中离不开环路设计。

环路影响到开关电源的诸多性能指标，譬如输出纹波，动态特性，稳定性，保护特性等。

这篇文章将从下面四个方面讲一讲开关电源中的比较常见的双重环路及其应用：
 1.单电压环与单电流环
 2.电压环和电流环的双环竞争
 3.电压外环电流内环
 4.两种双环控制在车载电源产品中的应用
 一、单电压环与单电流环
 闭环就是通过对被控制变量进行负反馈与设定值进行比较，得到他们之间的偏差，然后通过控制偏差，来实现被控变量稳定在设定值附近。

生活中最常见的一个负反馈闭环就是骑自行车，如果我们想走一条直线，而实际往左偏了，就会将车把手往右调整，如果往右偏了，就往左调整。

最后肯定稳定在这条想走的路线的附近。

如果自行车整个过程一直都是向左偏离一个角度，这个就是静差，也叫稳态误差。

如果自行车稳定在设定路线的左右偏差一点，这个就是误差摆幅，有些场景下也叫纹波峰峰值。

车辆一直行使在设定路线附近，而且偏差小，遇到紧急避让的情况下（动态扰动）也绝不摔倒——这就是好的环路设计。

 在比较简单的开关电源中，只需要一个单闭环就可以实现产品的恒压或者恒流输出。

对于恒压源，只需要控制输出电压稳定，对于恒流源只需要控制输出电流稳定。

这里通过最常见的buck电路的单电压闭环和单电流闭环来来分析一下。

以最常见的PI控制作为补偿控制环节。

 1）其电压单环的控制闭环框图如下：其中Kadc为采样及反馈环节，Plant。

一种应用于双路输出开关电源的闭环反馈电路的制作方法-回复亲爱的读者，欢迎阅读本篇文章，主题为"一种应用于双路输出开关电源的闭环反馈电路的制作方法"。

我将一步一步为你解释这个过程，帮助你理解闭环反馈电路的制作和运作原理。

首先，我们需要了解闭环反馈电路的定义和原理。

闭环反馈电路是一种电路配置，其中输出信号被反馈到输入端，以修正误差并提供稳定性。

在双路输出开关电源中，这种反馈电路是至关重要的，可以确保输出电压和电流的稳定性和准确性。

接下来，我们需要准备制作闭环反馈电路所需的材料和工具。

这些包括：1. 开关电源电路板：选择适合你的需求的开关电源电路板，它将为我们提供基本的电源功能。

2. 反馈电路元件：电阻、电容、电感等元件将用于创建反馈回路。

3. 运算放大器：选择合适的运算放大器作为反馈电路的核心组件。

4. 其他电子元器件：例如稳压二极管、二极管等，以辅助实现闭环反馈电路的功能。

5. 配件和线缆：选择适合的电线、连接器和其他配件。

现在，我们可以按照以下步骤制作双路输出开关电源的闭环反馈电路：第一步：确定设计要求和参数。

在开始制作闭环反馈电路之前，我们需要确定输出电压和电流的要求，并选择合适的电源电路板。

根据这些参数，选择相应的电阻、电容和电感作为反馈电路的元件。

第二步：设计反馈电路。

根据设计要求，我们可以使用运算放大器和其他元件设计一个合适的反馈电路。

反馈电路的目标是将输出信号与参考信号进行比较，并产生相应的修正信号，以减小误差并使输出电压和电流稳定。

第三步：制作和连接电路。

根据设计好的电路图，将元件焊接在电路板上。

确保连接正确，并注意不同元件之间的相互连接。

使用电线和连接器来连接不同的部分，以确保电路的良好连接。

第四步：进行测试和调整。

在完成焊接和连接工作之后，我们需要测试电路的性能。

连接所需的电源和负载，观察输出电压和电流是否稳定在设计要求范围内。

如果发现误差或不稳定性，可以通过调整反馈电路中的元件值或其他参数来进行修正。

开关电源控制环路设计前馈环节通常由开关电源的输出电压或电流采样电路、误差放大器、比较器和PWM控制器等组成。

开关电源的输出电压或电流通过采样电路进行实时的电压或电流测量，并将测量值与设定值进行比较。

误差放大器将比较器输出的误差信号放大，并输出给PWM控制器。

PWM控制器根据误差信号调整开关管的导通和关断时间，从而控制开关电源输出电压或电流的稳定性。

反馈环节通常由输出电压或电流反馈回路组成。

反馈回路通过将开关电源输出电压或电流与参考电压或电流进行比较，得到误差信号，并将其输入到前馈环节的比较器中。

反馈环节的作用是通过不断地调整开关电源的工作状态，使输出电压或电流尽量接近设定值，并抵消部分外部环境的影响，以保持开关电源稳定工作。

在开关电源控制环路设计中，需要考虑诸多因素。

首先是前馈环节的设计。

前馈环节应具有高增益和低失真的特性，能够准确地将输出电压或电流的变化转换为误差信号，并将其输出给PWM控制器。

其次是PWM控制器的设计。

PWM控制器应能够按照误差信号的大小和方向，精确地调整开关管的导通和关断时间，并保持开关电源输出电压或电流的稳定性。

最后是反馈环节的设计。

反馈环节应能够准确地测量开关电源的输出电压或电流，并将其输入到前馈环节的比较器中。

同时，反馈环节还需考虑去除噪声和抑制振荡等问题，以保证闭环控制系统的稳定性和可靠性。

开关电源控制环路设计的关键是要平衡稳定性和动态响应速度。

稳定性是指开关电源在加载变化或输入电压波动等情况下，输出电压或电流能够尽快地恢复到设定值并保持稳定；而动态响应速度则是指开关电源对设定值的变化能够迅速地响应。

在设计中，需要根据具体的应用需求和制约条件，选择合适的控制算法、滤波器和补偿网络等，以使开关电源控制环路设计达到较好的稳定性和动态响应速度。

总之，开关电源控制环路设计是一个复杂而关键的任务。

它需要综合考虑前馈环节、反馈环节以及稳定性和动态响应速度等因素，以实现开关电源的稳定性和输出精度要求。

•众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。

因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。

在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。

当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。

1 稳定性指标衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。

相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。

增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小(实际是衰减)。

在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。

在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。

相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。

在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。

工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。

在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。

如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。

如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。

(1)功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；(2)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大；(3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路部集成的电压比较器(这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。

一、引言PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。

PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。

由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。

对于定频调宽的PWM闭环反馈控制系统，主要有五种PWM反馈控制模式。

下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例说明五种PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、特点及应用要点，以利于选择应用及仿真建模研究。

二、开关电源PWM的五种反馈控制模式1. 电压模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM)：如图1所示为BUCK降压斩波器的电压模式控制PWM反馈系统原理图。

电压模式控制PWM是六十年代后期开关稳压电源刚刚开始发展起就采用的第一种控制方法。

该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好地被广泛应用。

电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，见图1A中波形所示。

逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。

主要缺点是暂态响应慢。

当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为有较大的输出电容C及电感L相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。

这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。

图1A电压误差运算放大器（E/A）的作用有三：①将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。