開關電源的控制理論是個十分抽象的、有時令人望而生畏的東西。系統不穩定卻是個常常會遇到的問題,如何調整?為何調好的系統大批量生產時又出問題?講理論的材料很多,需要理解的數學理論也比較多。那么如何理解開關電源的環路穩定性呢?
雪松跟我說過一個比喻,我覺得很好,先分享給大家:
反饋環路,就好像老婆給老公捶背。一開始老婆捶,老公說:“沒吃飯啊,這么沒力氣?”老婆開始加力氣,一直加,老公吼道:“這么大力氣,要捶死人啊?”如此反復,就是一個環路不穩定的過程。
今天看到一另外一個男人和女人的比喻,供大家參考,如下:
先說極點,簡單的例子是一個RC濾波。對直流C是開路,對無限高頻C是短路,所以波特圖的幅值在極點前是平的,極點后開始以-20dB/dec下降。俺對極點的感覺就是一個男人。男人通常開始熱情高漲,但多半經不起時間的考驗。無論是對愛情,還是日漸稀松的頭發,男人大抵都是如此。這樣零點當然就是女人。簡單的例子是一個電容的ESR零點。在直流時,電容的阻值是無窮大,隨著頻率的增高,阻值不斷下降,到極點以后,剩下ESR電阻的阻值就再也不減小了。男人是火,則女人是水,女人雖不見得轟轟烈烈,卻多半比男人更有耐力。女人對愛情多半也是刻骨銘心的,看看安娜·卡列尼娜和他的情人就不難了解男人和女人的區別。
講完男人女人,輪到兩個男人。俺不幸在舊金山附近呆了很久,但這里不想談論同志(多好的詞啊,糟蹋了)的問題。一個LC濾波組成了雙極點。兩個男人難免起沖突,這就像那高高的Q值。一個沒有寄生電阻的LC有無窮高的Q值,會把那個諧振頻率的信號放大很多,這是我們當年調一個小電容就能在收音機里收到不同電臺的原因。兩個男人沖突的很厲害對電源可不是什么好事。而沖突的程度是取決于寄生的電阻值,或者說是取決于勸架的強度(學名叫阻尼)。一個Q值很高的系統,相位很快就從0°到了-180°,非常容易不穩定,也難以補償。所以一般效率高的系統(電阻成分小)不易穩定。對不穩定的系統要做補償。補償通常是加一個零點,但同時多半會產生一個高頻的極點。比如說在反饋端加一個電容,就會產生一個零點和極點對。零點極點對的理解就是談了一次戀愛。零點首先介入,正如女人在談戀愛的開始多半較強勢,對于大多數男人,那是他唯一有興趣陪女人逛商店的時候。接下來真情的、非真情的或至少當時是真情的山盟海誓之后,男人和女人走到一起。男人的愛情極點多半是要發生的,如果發生在其生命極點之前那將是一場悲劇,反之則被稱為不朽的愛情。對于反饋系統來說,一個極點減小了幅值(有利于穩定),也減少了相位裕度(不利于穩定);一個零點則增大了幅值(不利于穩定),但增大了相位裕度(利于穩定);所以他們都是做了一件好事,一件壞事。唯有右半平面的零點,她既增大了幅值,又減少了相位裕度,也就是做了兩件壞事。這樣的女人只能用巫婆來形容。簡單的例子是升壓電路:主動管開通時,電感儲存能量;二極管導通時,電感將儲存的能量交給負載。負載得到的電流大約是IL(1-D)。對兩個變量求導,低頻時電感阻礙電流上升,高頻時只有-ILd一項。前面已經知道,幅值從下降到不變的正好像電容的ESR一樣是個零點,不同的是有個負號。當負載增加,D會變大以提供更多的電流。但由于輸出電流瞬間和 (1-D)成正比,D的增大瞬時反而造成輸出電流的少。正是這個負號將女人變成了巫婆。大家知道,我們用的都是負反饋系統。輸出多了,就在控制的地方減一點,變化就不會太大。但環路本身大多是有相位滯后的,如果對于某一頻率的信號,環路本身相位滯后180°時增益大于1,那么加上負反饋的180°就是360°。負反饋變成正反饋了。而且每在回路轉一圈幅值都變大,自然就不穩定了。所以系統穩定的條件是轉一圈增益為1時(0dB),相位滯后要小于180°(考慮裕度,一般要小于135°)。用《塵埃落定》里那個傻子也能理解的話說,就是要像個男人(相位滯后90°,相當一個極點)或一個半男人(相位滯后135°,相當一個半極點)一樣死去(到達0dB)。讓我們來看個例子,對于電流型的buck,電感上的電流被限制住了,于是可憐的電感失去了發言權(嚴格地說是最前排的發言權)。主電路只剩下一個Rload和Cout組成的極點(男人2)和輸出電容的ESR零點(女人1)。當然控制部分肯定有個很低頻的極點(男人1)。也就是說我們有兩個男人,有了不穩定的危險,關鍵看ESR的零點(女人1)在哪兒。電解電容的零點頻率很低,所以很可能部分中和了一個男人,于是可能不需要任何補償。而陶瓷電容的零點頻率很高,所以我們很可能要通過加女人的辦法進行補償(一般是一個零點極點對,也就是談一次戀愛才能穩定)。對于電壓型的buck,L和Cout組成了雙極點(男人2和男人3),加上控制部分的極點(男人1)。我們面臨的可能是三個男人。毫無疑問,為了要像一個男人一樣死去,我們要加一個或兩個零極點對。顯然電壓型的buck不易穩定。像躁動的少年,免不了多談幾次戀愛才能成熟。最后講講開關電路的零點極點都是如何推導出來的。真要俺在這一步步推還不定卡在哪兒,還是講講歷史比較有趣。話說開關電源出現時,一般的控制理論已很成熟,可都是對一個固定的電路。開關電源這廝不光呆在一個狀態,有時甚至會有三個以上的狀態。這些狀態對應了不同的狀態方程,究竟怎么描述整體電路哪?其實很好理解。比如你每往東走一步,接著就往北走一步,描述你軌跡的就是50%*東+50%*北=東北方。如果每往東走三步,接著就往北走一步,描述你軌跡的就是75%*東+25%*北=東偏北方。將不同開關狀態的狀態方程加權相加,加入小信號干擾,整理后就會得出不同電路的零點極點。
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原文標題:如何理解開關電源的環路穩定性?
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