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BUCK開關電源的環路分析(一)

CHANBAEK ? 來源:頭條號小程的電源 ? 作者:頭條號小程的電源 ? 2023-03-20 13:54 ? 次閱讀

上一篇我們探討了BUCK的輸出在開環和閉環條件下的輸出情況。這一篇,在上一篇的基礎上繼續探討BUCK的環路問題。

使用PSIM軟件,我們可以通過其AC掃描功能得到目標電路的交流特性。PSIM的AC掃描可以直接得出伯德圖,方便我們直接觀察,而無需進行復雜的傳遞函數運算。

使用方法:點擊View → Library Browser可以得到以下對話框,在Find框中寫入“AC”,在搜索結果中選擇AC Sweep Probe和AC Sweep到原理圖中。

pYYBAGQX9QSAMG4yAAGeuzf-e04470.jpg

好了,介紹了AC掃描需要的器件的獲取方法,下面我們開始進行BUCK的AC掃描分析。我們先看主功率拓撲部分開環的AC掃描。

poYBAGQX9QWATbRiAAGKG0jatLY672.jpg

掃描結果如下:

poYBAGQX9QeAFY0YAAEo8IQZPHA969.jpg

從此伯德圖中,我們可以看出,在主功率拓撲開環裸跑情況下,穿越頻率為1kHz左右,此時的相位為-128°。下面我們開始加入環路控制設計。

對于開關頻率為100kHz的開關電源系統,根據經驗,我們一般設置穿越頻率為開關頻率的1/10 ~ 1/20,這里我們選擇穿越頻率為開關頻率的1/20,即5kHz。

上一篇我們設計的二階響應的CCM電壓模式工作的BUCK開關電源,適合于其環路補償的為放大器類型三。放大器類型三的模型如下:

pYYBAGQX9QeAJZWuAACLDiED9lg811.jpg

放大器類型三有3個極點以及2個零點:

poYBAGQX9QiASCexAAA7KQJEIWE878.jpg

fp0為原點處的極點,在此之前應放置一個零點,以抵消增益和相位的衰減,在fp0附近再放置一個零點,提升增益和相位,使低頻處增益夠大,使低頻紋波衰減到足夠小,除此之外,還能使穿越頻率處有足夠的相位裕量;在設置的穿越頻率的1/2附近放置一個極點,開始降低增,使得能在設計的穿越頻率處增益降至0dB,再在穿越頻率處放置一個極點使增益加快衰減速度,降低高頻噪聲影響。

通過上述環路設計思想,我們取如下環路參數

pYYBAGQX9QmAeJjPAAAFwnaJDPY385.jpg

可得環路補償相位如下所示:

poYBAGQX9QqALgJdAAFsaJbkY6M344.jpg

補償后的環路加入拓撲:

poYBAGQX9QuAbMEEAAHRasaVGFo580.jpg

AC掃描后得到如下伯德圖:

poYBAGQX9Q2AIfyJAAFZHjbmLmo600.jpg

從該伯德圖可以看到,實際穿越頻率為5.7kHz左右,相位裕量約40°。

輸入電壓改變:12V→24V→14V,輸出響應如下:

poYBAGQX9Q6AcRagAACt5GdkYAo645.jpg

輸出負載變化:0.2A→2A→1A,輸出響應如下:

pYYBAGQX9Q-AXWsAAADVMjt1vS8644.jpg

以上是通過觀察主功率拓撲開環裸跑得到的伯德圖特點,然后手動放置零極點得到相應的增益和相位得到的環路補償,這種方法要多次試湊,比價費時。下一篇我將介紹一種通過公式直接計算出環路的參數的方法。

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