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【10周年】用simplis驗證環路理論(一)

開關電源的環路理論,由于理論性太強,顯得枯燥乏味,太多的公式讓人眼花繚亂。

但是仿真軟件的應用,可以讓人更加直觀的理解這些理論。

關于基本的環路理論,和基本拓撲的小信號模型推導請看fundamentals of power electronics 這本書,如果E文不是很好的可以看徐德鴻老師的電力電子系統建模及控制,這里就不再贅述。

下面的帖子,我用simplis軟件,來一一驗證環路理論的那些公式。

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2013-06-02 12:59

首先我們來看,電壓控制模式,連續模式的基本拓撲。

那些基本拓撲,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數為:

 

三個基本拓撲的關聯參數為

 

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2013-06-02 13:08
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續模式的基本拓撲。那些基本拓撲,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數為:[圖片] 三個基本拓撲的關聯參數為[圖片] 

這里我們先看buck電路,可以從以上得到信息:

電壓控制CCM的buck, 從占空比變化到輸出變化的傳遞函數可以表述為:

1.直流增益為V/D(這里V為輸出電壓,D為占空比,V/D實際上就是Vin),簡單的說直流增益就是Vin(輸入電壓)

2.增益曲線里只有一對雙極點: .

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2013-06-02 13:21
@sometimes
這里我們先看buck電路,可以從以上得到信息:電壓控制CCM的buck,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數可以表述為:1.直流增益為V/D(這里V為輸出電壓,D為占空比,V/D實際上就是Vin),簡單的說直流增益就是Vin(輸入電壓)2.增益曲線里只有一對雙極點:[圖片] .

接下去,畫一個最簡單的buck電路

 

這是一個輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負載為1歐姆,可以保證在CCM模式。

這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環特性。(u1正端的電壓1V對應占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)

先從理論上來計算

此buck的直流增益為G=20log50=34db

雙極點在f=1.6Khz

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2013-06-02 13:24
@sometimes
接下去,畫一個最簡單的buck電路[圖片] 這是一個輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負載為1歐姆,可以保證在CCM模式。這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環特性。(u1正端的電壓1V對應占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)先從理論上來計算此buck的直流增益為G=20log50=34db雙極點在f=1.6Khz

看一下simplis仿真的結果

 

看綠色的增益曲線,可以看到直流增益的確在34db左右,而雙極點大概在1.6KHz

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2013-06-02 21:50
@sometimes
看一下simplis仿真的結果[圖片] 看綠色的增益曲線,可以看到直流增益的確在34db左右,而雙極點大概在1.6KHz
老師開始講課了
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2013-06-03 15:50
@sometimes
接下去,畫一個最簡單的buck電路[圖片] 這是一個輸入電壓為50V,占空比為0.5,電感為20uH,電容為500uF,負載為1歐姆,可以保證在CCM模式。這里的波特圖探測器,測試的是從占空比到輸出的開環特性。(u1正端的電壓1V對應占空比1,也就是說占空比0.5情況下,該電壓是0.5V)先從理論上來計算此buck的直流增益為G=20log50=34db雙極點在f=1.6Khz

大家都知道,如果輸出電容采用點解電容的話,通常不能忽略電容的ESR,而電容的ESR會給小信號模型加入一個零點。

該零點的位置為: 

加入給上圖電容加入20毫歐的ESR,計算可得零點位置在16KHz左右。


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2013-06-03 15:51
@sometimes
大家都知道,如果輸出電容采用點解電容的話,通常不能忽略電容的ESR,而電容的ESR會給小信號模型加入一個零點。該零點的位置為:[圖片] 加入給上圖電容加入20毫歐的ESR,計算可得零點位置在16KHz左右。
 
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2013-06-03 15:53
@sometimes
[圖片] 

看仿真的結果

 

的確可以看到在16K左右的地方,出現了一個零點。

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2013-06-04 19:33
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續模式的基本拓撲。那些基本拓撲,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數為:[圖片] 三個基本拓撲的關聯參數為[圖片] 

接下去來看一下CCM的Boost電路

 

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2013-06-04 19:36
@sometimes
接下去來看一下CCM的Boost電路[圖片] 

依然是輸入50V,占空比0.5

根據上面的公式,

該boost的直流增益為46db左右

在0.8Khz處有雙極點

在20Khz左右處有個右半平面零點

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2013-06-04 19:38
@sometimes
依然是輸入50V,占空比0.5根據上面的公式,該boost的直流增益為46db左右在0.8Khz處有雙極點在20Khz左右處有個右半平面零點

看仿真結果,是否吻合

 

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2013-06-05 11:10
@sometimes
看仿真結果,是否吻合[圖片] 

在上圖的波特圖中,可以看到在20Khz左右的確出現了一個增益特性上翹,相位卻是滯后的右半平面零點。

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2013-06-05 11:30
@sometimes
在上圖的波特圖中,可以看到在20Khz左右的確出現了一個增益特性上翹,相位卻是滯后的右半平面零點。

如果同樣加入ESR

 

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2013-06-05 11:36
@sometimes
如果同樣加入ESR[圖片] 

該ESR導致的零點依然在16Khz左右,那么看一下結果

 

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2013-06-05 15:05
@sometimes
該ESR導致的零點依然在16Khz左右,那么看一下結果[圖片] 

在增加一個零點以后,可以看到增益曲線最后變平了。

而相位滯后從原來的270度變為180度。

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2013-06-05 17:48
@sometimes
首先我們來看,電壓控制模式,連續模式的基本拓撲。那些基本拓撲,從占空比變化到輸出變化的傳遞函數為:[圖片] 三個基本拓撲的關聯參數為[圖片] 

接下去看buck-boost

 

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2013-06-05 17:54
@sometimes
接下去看buck-boost[圖片] 

從理論計算來看,直流增益依然是46db,

雙極點在0.8K左右,不過右半平面零點在40Khz左右

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2013-06-05 18:52
@sometimes
從理論計算來看,直流增益依然是46db,雙極點在0.8K左右,不過右半平面零點在40Khz左右

看下仿真結果,的確是吻合

  

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fairytale
LV.2
20
2013-06-05 19:00
@sometimes
看下仿真結果,的確是吻合 [圖片] 
好帖頂啊
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2013-06-05 19:01
@sometimes
看下仿真結果,的確是吻合 [圖片] 
當然,由于buckboost的輸出是負壓,所以在相位圖上,一開始就有一個180度相位。
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zhenxiang
LV.10
22
2013-06-05 22:48
@sometimes
當然,由于buckboost的輸出是負壓,所以在相位圖上,一開始就有一個180度相位。

好貼頂啊。就是不會用這個仿真軟件。如果能導入到PSPICE就好玩了

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2013-06-06 13:20
@sometimes
當然,由于buckboost的輸出是負壓,所以在相位圖上,一開始就有一個180度相位。

油老師新帖哦~ 

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higel
LV.8
24
2013-06-06 13:45
@sometimes
看下仿真結果,的確是吻合 [圖片] 
果斷收藏~!
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2013-06-06 13:48
@higel
果斷收藏~!
在油老師的帖子里留下我的倩影
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2013-06-06 18:56

接下去來看三個基本拓撲在DCM情況下的小信號模型(還是電壓控制)

根據理論,這三個基本拓撲在DCM情況下,小信號模型會簡化為一階系統(實際上另外一個極點和右半平面零點被移到高頻處,接近和高于開關頻率,所以把他們忽略不計)

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2013-06-06 19:01
@sometimes
接下去來看三個基本拓撲在DCM情況下的小信號模型(還是電壓控制)根據理論,這三個基本拓撲在DCM情況下,小信號模型會簡化為一階系統(實際上另外一個極點和右半平面零點被移到高頻處,接近和高于開關頻率,所以把他們忽略不計)

首先來看DCM情況下的電壓傳輸比M(輸出電壓/輸入電壓)

 

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2013-06-06 19:02
@sometimes
首先來看DCM情況下的電壓傳輸比M(輸出電壓/輸入電壓)[圖片] 

這里的Re為

 

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2013-06-06 19:04
@sometimes
這里的Re為[圖片] 

可能圖不是很清楚,我把buck,boost,buckboost的Re

再表述一下:

Re=2L/d(squre)Ts

其中d是管子的開通占空比,Ts為周期。

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2013-06-06 19:13
@sometimes
可能圖不是很清楚,我把buck,boost,buckboost的Re再表述一下:Re=2L/d(squre)Ts其中d是管子的開通占空比,Ts為周期。

那些來看一下小信號模型中關鍵參數

 

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2013-06-07 14:34
@sometimes
那些來看一下小信號模型中關鍵參數[圖片] 

如果要考慮的更復雜一點,可以把高頻的極點和右半平面零點考慮進來

 

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