开关电源中控制器特性分析举例

2020-05-18      1018 次浏览

假设控制对象为Buck转换器,已知其控制一输出传递函数为:


考虑ESR零点时,


式中RC——滤波电容的ESR,假设滤波电感的电阻可以忽略。


G(s)有一个ESR零点:ωz=-1/RcC,位于左半S平面;谐振频率,阻尼系数2ζ=(RcC+L/R)ωr≈ωrL/R,品质因数


由于G(s)有高频ESR零点,在ωc处相位滞后


并使G(s)幅频特性的斜率由-2变成-1。


下面分析采用比例和比例一积分控制器对ESR=0的理想Buck转换器系统特性进行校正的设计方法和问题。


(1)选用比例控制器,比例系数为kp,则控制器的传递函数为


忽略ESR零点时,未加控制器时Buck转换器的幅频特性,如图中的曲线1所示;加比例控制器后,系统的开环传递函数为


图1用比例控制器的Buck开关电源Bode图


其幅频特性如图1中曲线2所示。显然可知,采用比例控制器后,电源的幅频特性低频段增益低,在增益交越频率ωr处,相位为-180°,才目位裕量为0,系统不稳定。


(2)选用比例-积分控制器,比例系数为kp,则控制器的传递函数为


这时系统的开环传递函数为


其Bode图如图2所示。


图2用比例积分控制时Buck开关电源的Bode图


可知,采用比例一积分控制器,相当于在S平面原点新增一个极点,确实提高了电源的低频段增益;但在频率大于谐振频率ωo时,增益按-3的斜率下降,增益交越频率ωc处,相位为-270°。相位滞后太多,系统还是不稳定。


为了补偿积分控制器出现的相位过于滞后,在积分补偿网络的传递函数中,可以增设低频零点(位于增益交越频率以下);此外,为了衰减高频噪声,还要增设极点,使在ωc处的相位小。因此有多种补偿形式,如增设单极点、单零点的pI补偿网络,也可以增设双极点、双零点,甚至三极点,双零点等的pI补偿网络。


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