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【原創】開關電源的小信號建模

開關電源的反饋環路設計是開關電源設計的一個非常重要的部分,它關系到一個電源性能的好壞。要設計一個好的環路,必須要知道主回路的數學模型,然后根據主回路的數學模型,設計反饋補償環路。論壇上已經有很多帖子介紹反饋環路的補償,所以想重點介紹下主回路的數學建模方法。

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bode
LV.9
2
2010-09-03 17:36
這個帖子好,必須要支持~
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2010-09-03 17:38

師弟,你真乃神人阿。

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2010-09-03 17:42
@sometimes
師弟,你真乃神人阿。
感謝師兄及各位大師捧場!俺先挖個坑,等有空了再填。
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2010-09-03 18:02

恩,不錯,期待著。。

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gaohq
LV.8
6
2010-09-03 18:42
強烈支持
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BBGO
LV.4
7
2010-09-04 09:03

坐直,聽大師講課。

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2010-09-04 09:54

做個記號

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平板足
LV.1
9
2010-09-04 14:11

大哥,有沒有這方面的資料,我想仔細學習下,正在這個地方迷茫

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lingqidian
LV.4
10
2010-09-04 16:50

選擇三個基本拓撲,DCM/CCM

共需6個結論模型。

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sxjnice
LV.8
11
2010-09-04 18:14

等待講壇……

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2010-09-08 21:58

期待fly大師的大作

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bode
LV.9
13
2010-09-08 21:59
@心中有冰
[圖片]期待fly大師的大作
我已經望眼欲穿~
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cheng111
LV.11
14
2010-09-09 09:18
期待大師...講壇
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2010-09-09 14:16
此帖的水將會很深!
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2010-09-09 14:30
@讓你記得我的好
此帖的水將會很深!

水呢,我快渴死了

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2010-09-09 14:32
@sometimes
水呢,我快渴死了
,目前只見坑,還不見水,需要繼續往下挖!
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fly
18
2010-09-09 17:54
@讓你記得我的好
此帖的水將會很深!

這么多大師關注,感覺壓力好大啊!小信號建模的水很深,俺只是把俺知道的一點皮毛跟大家分享一下。還請各位大師不吝賜教。

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fly
19
2010-09-09 17:58
俺這里主要介紹下PWM模式的開關電源的小信號建模方法。
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fly
20
2010-09-09 18:03
@fly
俺這里主要介紹下PWM模式的開關電源的小信號建模方法。

俺首先來介紹下小信號的分析法。開關電源是一個非線性系統,但可以對其靜態工作點附近進行局部線性化。這種方法稱為小信號分析法。

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lilycowboy
LV.5
21
2010-09-09 18:07
@fly
俺首先來介紹下小信號的分析法。開關電源是一個非線性系統,但可以對其靜態工作點附近進行局部線性化。這種方法稱為小信號分析法。
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fly
22
2010-09-09 18:30
@fly
俺這里主要介紹下PWM模式的開關電源的小信號建模方法。

以一個CCM模式的BOOST電路為例,

 

其增益為: 

其增益曲線為: 

其中M和D之間的關系是非線性的。但在其靜態工作點M附近很小的一個區域范圍內,占空比的很小的擾動 和增益變化量 之間的關系是線性的。因此在這個很小的區域范圍內,我們可以用線性分析的方法來對系統進行分析。這就是小信號分析的基本思路。

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2010-09-09 18:52
@fly
以一個CCM模式的BOOST電路為例,[圖片] 其增益為:[圖片] 其增益曲線為:[圖片] 其中M和D之間的關系是非線性的。但在其靜態工作點M附近很小的一個區域范圍內,占空比的很小的擾動[圖片] 和增益變化量[圖片] 之間的關系是線性的。因此在這個很小的區域范圍內,我們可以用線性分析的方法來對系統進行分析。這就是小信號分析的基本思路。
開始了,認證聽講……
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fly
24
2010-09-09 18:53
@fly
以一個CCM模式的BOOST電路為例,[圖片] 其增益為:[圖片] 其增益曲線為:[圖片] 其中M和D之間的關系是非線性的。但在其靜態工作點M附近很小的一個區域范圍內,占空比的很小的擾動[圖片] 和增益變化量[圖片] 之間的關系是線性的。因此在這個很小的區域范圍內,我們可以用線性分析的方法來對系統進行分析。這就是小信號分析的基本思路。

因此要對一個電源進行小信號建模,其步驟也很簡單,第一步就是求出其靜態工作點,第二步就是疊加擾動,第三步就是分離擾動,進行線性化,第四步就是拉氏變換,得到其頻域特性方程,也就是我們說的傳遞函數。

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2010-09-09 19:04
@fly
因此要對一個電源進行小信號建模,其步驟也很簡單,第一步就是求出其靜態工作點,第二步就是疊加擾動,第三步就是分離擾動,進行線性化,第四步就是拉氏變換,得到其頻域特性方程,也就是我們說的傳遞函數。

聽課來了

 

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fly
26
2010-09-09 19:15
@fly
以一個CCM模式的BOOST電路為例,[圖片] 其增益為:[圖片] 其增益曲線為:[圖片] 其中M和D之間的關系是非線性的。但在其靜態工作點M附近很小的一個區域范圍內,占空比的很小的擾動[圖片] 和增益變化量[圖片] 之間的關系是線性的。因此在這個很小的區域范圍內,我們可以用線性分析的方法來對系統進行分析。這就是小信號分析的基本思路。

要對一個變換器進行小信號建模,必須滿足三個條件。

首先要保證得到的工作點是“靜”態的。因此有兩個假設條件:

1,一個開關周期內,不含有低頻擾動。因此疊加的交流擾動小信號的頻率應該遠遠小于開關頻率。這個假設稱為低頻假設

2,電路中的狀態變量不含有高頻開關紋波分量。也就是系統的轉折頻率要遠遠小于開關頻率。這個假設稱為小紋波假設。

其次為了保證這個擾動是在靜態工作點附近,因此有第三個假設條件:

3,交流小信號的幅值必須遠遠小于直流分量的幅值。這個稱為小信號假設。

對于PWM模式下的開關電源,通常都能滿足以上三個假設條件,因此可以使用小信號分析法進行建模。

對于諧振變換器來說,由于諧振變換器含有一個諧振槽路。在一個開關時區或多個開關時區內,諧振槽路中各電量為正弦量,或者其有效成分是正弦量。正弦量的幅值是在大范圍變化的,因此在研究PWM型變換器所使用的“小紋波假設”在諧振槽路的小信號建模中不再適用。

對于諧振變換器,通常采用數據采樣法或者擴展描述函數法進行建模。

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fly
27
2010-09-10 18:03
@fly
要對一個變換器進行小信號建模,必須滿足三個條件。首先要保證得到的工作點是“靜”態的。因此有兩個假設條件:1,一個開關周期內,不含有低頻擾動。因此疊加的交流擾動小信號的頻率應該遠遠小于開關頻率。這個假設稱為低頻假設2,電路中的狀態變量不含有高頻開關紋波分量。也就是系統的轉折頻率要遠遠小于開關頻率。這個假設稱為小紋波假設。其次為了保證這個擾動是在靜態工作點附近,因此有第三個假設條件:3,交流小信號的幅值必須遠遠小于直流分量的幅值。這個稱為小信號假設。對于PWM模式下的開關電源,通常都能滿足以上三個假設條件,因此可以使用小信號分析法進行建模。對于諧振變換器來說,由于諧振變換器含有一個諧振槽路。在一個開關時區或多個開關時區內,諧振槽路中各電量為正弦量,或者其有效成分是正弦量。正弦量的幅值是在大范圍變化的,因此在研究PWM型變換器所使用的“小紋波假設”在諧振槽路的小信號建模中不再適用。對于諧振變換器,通常采用數據采樣法或者擴展描述函數法進行建模。

以一個CCM模式下的BUCK電路為例,應用上面的四個步驟,來建立一個小信號模型。

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fly
28
2010-09-10 22:25
@fly
以一個CCM模式下的BUCK電路為例,應用上面的四個步驟,來建立一個小信號模型。

對于一個BUCK電路 

當開關管開通時,也就是在(0-DTs)區間

 

其狀態方程為

  

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fly
29
2010-09-10 22:27
@fly
以一個CCM模式下的BUCK電路為例,應用上面的四個步驟,來建立一個小信號模型。

當開關管S斷開時,二極管D導通,忽略二極管D的壓降,可得到等效電路

 

其狀態方程為:

  

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fly
30
2010-09-10 22:30
@fly
以一個CCM模式下的BUCK電路為例,應用上面的四個步驟,來建立一個小信號模型。

將狀態變量在一個開關周期內求平均,

  

簡化后得到:

  

這便是一個開關周期內的狀態方程,基于上面的低頻和小紋波假設,變換器在一個開關周期內是穩定的,因此這也是其靜態工作點的方程。

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fly
31
2010-09-10 22:45
@fly
將狀態變量在一個開關周期內求平均,[圖片]  簡化后得到:[圖片]  這便是一個開關周期內的狀態方程,基于上面的低頻和小紋波假設,變換器在一個開關周期內是穩定的,因此這也是其靜態工作點的方程。

 對上面的穩態方程疊加擾動,可以得到以下方程:

 

進行分解后為:

  

 

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