頻域分析是開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，困擾著不少電源工程師，從工程應(yīng)用、理論建模和軟件仿真三方面入手，結(jié)合最新的反饋控制技術(shù)，為大家揭開(kāi)反激開(kāi)關(guān)電源頻域分析設(shè)計(jì)的神秘面紗!

1SSR與PSR架構(gòu)對(duì)比

SSR直接采樣輸出電壓，無(wú)靜差控制;PSR采樣供電繞組，估算輸出電壓，有靜差控制。

SSR對(duì)變壓器工藝要求不高;PSR對(duì)變壓器工藝要求高，通常需要R3減小漏感振蕩和R2加速斷開(kāi)VDD回路。

SSR環(huán)路補(bǔ)償器外置;PSR環(huán)路補(bǔ)償器集成于芯片。

SSR環(huán)路不穩(wěn)通常由環(huán)路補(bǔ)償器設(shè)置不當(dāng)引起; PSR環(huán)路不穩(wěn)通常由采樣引起。

2閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定條件

閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)TcPvK不為-1，在伯德圖上定義了相位裕量和增益裕量來(lái)判斷穩(wěn)定性。

3穩(wěn)定性判斷方法

建模法 利用狀態(tài)空間平均法或電路平均法推導(dǎo)出系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，用相關(guān)軟件繪出開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖。

仿真法 利用仿真軟件的AC Sweep功能，掃描出開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖。

測(cè)量法 利用頻率響應(yīng)分析儀在電源反饋回路注入不同頻率信號(hào)調(diào)制變換器，并獲取電源輸出端的響應(yīng)信號(hào)，從而測(cè)量出開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖。

4控制對(duì)象建模 PWM調(diào)制

PWM控制：固定開(kāi)關(guān)頻率，調(diào)整導(dǎo)通占空比控制輸出電壓。功率管的開(kāi)通時(shí)刻由內(nèi)部時(shí)鐘決定，當(dāng)Ip電流等于參考電流Ipref(電壓環(huán)產(chǎn)生)時(shí)關(guān)斷功率管。

利用平均法可推導(dǎo)出控制對(duì)象傳遞函數(shù)：

PFM調(diào)制

PFM控制：固定Ipref，調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率控制輸出電壓。

利用電路平均法可推導(dǎo)出控制對(duì)象傳遞函數(shù)：

DCM控制對(duì)象

6SSR與PSR穩(wěn)定性對(duì)比

SSR由于環(huán)路補(bǔ)償器外置，且采樣環(huán)節(jié)工作在線(xiàn)性區(qū)，可通過(guò)FRA法，準(zhǔn)確得到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖;

PSR由于環(huán)路控制器集成，且反饋回路工作在強(qiáng)非線(xiàn)性區(qū)(脈沖采樣變壓器輔助繞組，估算輸出電壓)，F(xiàn)RA法不再適用。

SSR控制對(duì)象只有90度相移(忽略高頻右半平面零點(diǎn))，但疊加環(huán)路補(bǔ)償器的純積分的90度相移，存在不穩(wěn)定可能(-180度)，需靠合理設(shè)計(jì)零點(diǎn)來(lái)提升相位裕量和增益裕量;

PSR環(huán)路補(bǔ)償器由于沒(méi)有純積分，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)達(dá)不到180度相移，不存在環(huán)路上的不穩(wěn)定情況(假定芯片內(nèi)置極點(diǎn)合理)。

環(huán)路分析實(shí)例

以AP8267為例，電源工作在PWM模式，簡(jiǎn)化等效電路模型，如下圖，可推導(dǎo)出各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

總結(jié)：理論分析和FRA仿真結(jié)果完全一致：直流增益相同，均有30dB(10Hz);穿越頻率接近：在600Hz的相移均為80度;在高頻10k處，均衰減-20dB。

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)對(duì)比

總結(jié)：理論分析和FRA仿真結(jié)果完全一致： 直流增益相同，均有45dB(10Hz)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制;穿越頻率在1kHz附近，相位裕量有90度，裕量充足;在高頻10k處，均衰減-20dB以上，抗干擾性強(qiáng)。