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Sanjaya中国行-上海/北京站-04.25、05.04《控制环路优化设计》总结

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eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:13:48
Sanjaya中国行-上海/北京站-04.25、05.04《控制环路优化设计》总结

        4/26在上海(免费培训第二场),5/4在北京(免费培训第五场),这二场的内容综合起来构成了 Sanjaya的<<模拟及数字控制环路优化设计>>,本帖试图回顾培训过程中的一些难点和重点议题,并给出一定的注解。

其中:
Sanjaya第三场合肥站04/27,第四场西安站04/29的总结位于此:Sanjaya中国行-合肥/西安站-04.27、04.29《新能源电路拓扑&EMC设计与优化》总结
QQ截图20160515101421.jpg

将会从如下几个方面来作分析:(本帖不做教课书式的讲解,如一般的传递函数推导,零极点及相幅频曲线等概念,只对实例工程分析及技巧性的分析设计方法给予讨论)。
1. 开关变换器中环路的概念及深层次分析
2. 何为传递函数,以及何为闭环与开环
3. 直流增益及其作用,系统转折频率的选择
4. 电压控制模式及OTA(跨导型运放)和OP(常规型的运放)
5. 时域,频域,S平面,复平面之间的转换关系
6. VCM电压模式控制(带前馈控制)
7. Boost/Buck-Boost传递函数分析及占空比的限制,嗯,这里应有右半平面零点RHPZ
8. 3型补偿的及其实例,以及3型补偿的限制
9. 是不是所有的动态响应都与环路设计相关?
10. 输出电容的选择(Buck)判据
11. 数字PID的优势及设计方法

注:经典环路补偿理论(模拟环路补偿)是一个很古老的话题,涉及的东西也不是太高深,但前提是需要有一定的自动控制基本原理,以及对信号分析/处理有一定的了解,难的在于将实际中的拓扑与调试参数联系起来并呈现在我们的调试结果中,目前大多数工程师仍是采用的试凑法,这是比较盲目的方法而且无法考虑到整体的效果,即顾此失彼(本帖中会看到3型补偿中存在问题可以看到,试凑法很难全面把握)。最优的办法是设计与调试同步进行,如H. Dean Venable的K factor方法先进行大概设计,再等样机回来后,利用Frequency Response Analyzer (FRA)频率响应分析仪测量出来,再做进一步优化。具体的环路补偿设计(包括模拟补偿到数字补偿设计)可以参考Sanjaya Maniktala  2016年的新书:Intuitive Analog to Digital Control  Loops in Switchers
本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 22:49 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:14:19
 
1. 开关变换器中环路的概念及深层次分析

现实的情况是:开关变换器是本质是离散的/数字化的时滞系统,而不是连续的,因为'控制'是间隔化的,与开关频率有关的。直观的表达就是,误差控制并不是实时的,存在固有的延时。
这样带来的结果就是:一个是我们需将控制环路的带宽降得很低,通常选择是1/5开关频率处。当然,我们更加倾向于将带宽设置得越高越好,这样动态响应会要好。

对于AC交流分析,要清楚我们关心的是变化量,而不是绝对量,如输出端的变量ΔVout或是输入端的变化量ΔVin,以及负载变化量ΔIout,或是参考点的波动量ΔVref。
而对于DC直流分析时,如Vout/Vin同样是我们需要关注的,这可以用来减少稳态设定误差,他们是一种长期的作用,如变换器的线性/负载调整率。

QQ截图20160515163014.jpg QQ截图20160515170458.jpg QQ截图20160515170510.jpg


记住:开关电源中任何的设计,都是折衷的结果,效率,成本,体积,性能,可靠性,安全等各个方面的平衡。环路设计也不例外。
如下面的例子。
QQ截图20160515172942.jpg QQ截图20160515172948.jpg


本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 19:49 编辑

QQ截图20160515163014.jpg
我是谁
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  • 2016-5-19 15:17:26
 
这个前馈电容对钳位二极管的影响很多芯片厂家都没有提到啊,也没注意有建议加的。
eric.wentx
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  • 2016-5-19 21:09:23
 
这个前馈电容主要是用来补偿输出低ESR的零点。
siderlee
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  • 2016-5-23 15:03:59
 
PID中的D吧
cyx7610
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  • 2019-1-13 14:49:12
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好东西,谢谢分享。
lrh_6215
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  • 2019-1-21 15:08:18
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多谢楼主奉献这么好的资料!
eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:15:12
 
2. 何为传递函数,以及何为闭环与开环,以及控制对象,反馈补偿模块

传递函数可以为任何形式,取于你需要用它来做什么,如:
对于常规运放而言,传递函数可以定义为Vo/Vin,这时为无量纲的
对于跨导型运放,传递函数可以定义为Iout/Vin
对于PWM控制器,传递函数可以为 占空比/Vramp


QQ截图20160515174205.jpg


控制对象,反馈补偿模块
QQ截图20160515174640.jpg

控制对象G:包括PMW控制级,以及功率级(这即是我们常说的变换器级)
反馈H:包括误差放大器,采样网络,参与信号与反馈信号处理网络
实际情况下,我们需要的负反馈校正系统,这样才能减少误差,故反馈输入端是接在误差放大器/运放的负端/反相端。而在文献中,通常把控制对象的传递函数称之为  控制到输出 的传递函数。

由于电源中存在电感,电容,变压器,运放等等,信号传输存在延时,而且随着频率升高,延时/相位越来越明显,所以系统很可能进入正反馈过程,结果就是将扰动信号放大!延时与相移(相位偏移)
QQ截图20160515192926.jpg QQ截图20160515195805.jpg

(开环)环路增益,闭环增益 ---- 记住:仅是文字游戏

QQ截图20160515201051.jpg QQ截图20160515201101.jpg QQ截图20160515201903.jpg

到底哪里才是输入? 记住这个概念!!!

QQ截图20160515201421.jpg


本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 20:17 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:15:37
 
3. 直流增益及其作用,系统转折频率的选择

请看图说话!!!

QQ截图20160515202611.jpg QQ截图20160515202621.jpg QQ截图20160515202627.jpg QQ截图20160515203053.jpg

本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 20:34 编辑

diandianmiracle
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本网技师
  • 2016-10-21 11:40:52
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老师,您好!可以详细讲一下穿越频率吗,我不是很明白。
eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:16:33
 
4. OTA(跨导型运放)和OP(常规型的运放)对反馈分压采样网络的处理
QQ截图20160515204337.jpg QQ截图20160515205202.jpg QQ截图20160515205152.jpg


那为什么存在跨导型运放?  主要原因:跨导型运放OTA的结构简单得多,在IC设计里面可以省去很多单元,如阻抗变换、电平转移等环节, 具有电路简单, 结构紧凑的特点。另外输入级将电压输入信号变换为电流信号后, 可直接利用后级晶体管的电流放大作用, 将电流信号放大并传送到输出端。更适应于电流模式控制IC,所以OTA一般是与CMC(电流控制模式一起使用)。
给出BUCK变换器的传递函数(包括PWM级,功率级,LC滤波器,反馈环路)

QQ截图20160515210443.jpg QQ截图20160515210449.jpg QQ截图20160515210532.jpg


本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 21:05 编辑

cajeptw
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助理工程师
  • 2017-8-16 10:21:56
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听君一席话,胜读十年书,可是实际遇到这样一个问题,如果是OTA即CMC控制的BUck电路,特别是IC集成的,Gs该如何计算,能否具体讲解一下呢

tps54620.pdf

2.09 MB, 下载次数: 56, 下载积分: 财富 -2

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:17:35
 
5. 时域,频域,S平面,复平面之间的转换关系
一句话:各种变换(拉普拉斯变换,傅利叶变换,对数变换...),只是一种数学简化方式,将复杂时域微分方程变换成简单的表达!!!


QQ截图20160515213157.jpg


本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 21:32 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:19:18
 
6. (带前馈控制的)VCM电压模式控制

QQ截图20160515221526.jpg

因为存在电压前馈,斜坡信号与输入电压信号呈正比增加,因而占空比可以立即得到改变/(如输入增加,斜坡电压增加,占空比减少)。所以这样的话,控制电压信号不存在延时,因为不需要经过反馈回路调节。动态性能明显要好!


(带前馈控制的)VCM电压模式控制 与 带有输入波动抑制的电流模式控制CMC比较


最初的VMC的思路是来源于CMC,在CMC中,PWM的斜坡信号,是由电感电流产生得到,如果输入电压增加的话也会自动增加,这也是为什么在很早之间,CMC看来起对输入的扰动的响应要比传统的VMC‘更快’的原因,但时至今日,VMC一样可以做到(快速响应)!


问:与输入前馈的VMC比,自带输入前馈的CMC到底有多好?
答:看起来VMC的还要优。因为在BUCK中,电感电流的上升斜坡等效为 (Vin-Vo)/L.所以如果我们输入电压增加一倍,我们最终不会导致电感电流的斜坡也增加一倍,这意味着在CMC中,电感电流是斜坡信号,占空比不是精确地反应输入电压的变化(2倍),而占空比是我们用来控制电压的关键,D=VOUT/VIN。但是在VMC中,占空比是精确变化二倍的。

总而言之:VMC+输入前馈比例控制,虽然灵感来源于CMC, 但是对于BUCK而言,对于输入端的波动抑制效果要优于CMC.


QQ截图20160515225425.jpg QQ截图20160515225430.jpg QQ截图20160515225435.jpg
本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 22:52 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:24:13
 
7. Boost/Buck-Boost传递函数分析及占空比的限制,嗯,这里应有右半平面零点RHPZ

不赘述控制对象传递函数的推导过程:对于BOOST, BUCK-BOOST结构:在D占空比接近1时会二个问题:系统不受控,同时右半平面会向原点移近,这都会不会造成系统的不稳定

QQ截图20160515232448.jpg     QQ截图20160515232455.jpg

那么右半平面零点RHPZ到底是个什么鬼,它的物理表现又是什么???
分析如下过程:
1. 变换器输入电压降低,或是负载增加,闭环校正系统会去调节占空比增加其导通时间。
2. 但是由于BOOST/BUCK-BOOST拓扑,开关管与电感的位置关系,这二个拓扑只有在开关管关断时才向输出传递能量,这样的话导通时间增加,只会让传递能量的时间变得更少。
3. 所以输出电压会瞬间继续降低,而不是理想的马上增加。(有点类似于正反馈)
上面的过程在控制环路理论中即是右半平面零点RHPZ的物理表现。


那么既然它固有存在(由传递函数可知),怎么破???
1. 由三种拓扑单元的传递函数可知,它只存在于BOOST或是BUCK-BOOST之中。
2. 轻载时,由于负载阻抗R很在,这个零点的频率被提升很高,远离了我们的变换器的带宽,所以它也不存在影响,这也是为什么说DCM断续模式/深度DCM下'没有'(不是完全没有,是不影响到我们的系统)这个问题的原因。
3. 它会产生90度的相移,这很容易导致不稳定。
4. 想到用一个右半平面极点来作抵消,但实际上是会因为常规的模拟补偿器都仅能产生左半平面的零点或是极点。所以抵消变得异常困难。
解决方案:在这二种拓扑结构中,进一步降低带宽,将穿越频率设定于开关频率的1/20处,或是比RHPZ的频率低一个数量级以上的频率处,同时限制最大占空比。接近100%的占空比,在BUCK-BOOST,boost以及其衍生拓扑如反激flyback中时,因为续流释放能量的toff时间极少,所以问题更明显。

本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-15 23:52 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:25:03
 
8.  Type3型 补偿的及其实例,以及3型补偿的限制

补偿的最终目标:将太陡的线(不管是增益曲线,还是相位曲线)弄得更平一点,同时在低频段('DC区间')保持足够的增益,其他的可以参考Sanjaya Maniktala的2016年的新书:Intuitive Analog to Digital Control  Loops in Switchers。
QQ截图20160516080449.jpg
QQ截图20160516124857.jpg

QQ截图20160516124915.jpg

QQ截图20160516125854.jpg


本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 13:01 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:26:14
 
8. 3型补偿的及其实例,以及3型补偿的限制如下二图,从3类补偿的传递函数发现,每个电容/电阻补偿元件都会影响其他的零、极点的位置,所以这是一个复合纠缠的多维影响。


QQ截图20160516131904.jpg

经验及忠告:

不要用试凑法去调一个或是几个参数,因为你很难全盘考虑到,最直接的办法是:从最开始重新来一次,按着所需要的零极点的位置方程计!

同时3型补偿会存在Q值不匹配的情况,这部分的理论分析详细可参考Sanjaya其新书:Intuitive Analog to Digital Control  Loops in Switchers

Q值不匹配:控制对象的Q值与补偿器的Q值之前的匹配

QQ截图20160516172602.jpg QQ截图20160516172614.jpg QQ截图20160516172637.jpg
本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 17:30 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:26:47
 
9. 是不是所有的动态响应都与环路设计相关?

大家看到动态响应的时候,不要直接就关联环路问题。。。我们可以通过仔细观察动态测试的波形,从而知道是不是响应与环路相关还是与功率级的设计相关。。。


QQ截图20160516173843.jpg          QQ截图20160516173854.jpg    
本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 17:41 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:27:41
 
10. Buck输出电容的选择判据三个方面的考虑:
  • 1. 纹波/ESR的影响
  • 2. 过冲的影响
  • 3. 保持时间的影响


QQ截图20160516174902.jpg       QQ截图20160516174913.jpg    QQ截图20160516175135.jpg QQ截图20160516175516.jpg 本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 17:55 编辑

eric.wentx
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  • 2016-5-15 10:28:07
 
11. 数字PID补偿优势及设计方法
随着开关电源往数字化的发展,数字化补偿器应运而生,相比于常规的模拟补偿器,而PID控制算法仍然在工程领域占了重要一席!
QQ截图20160516180246.jpg

从普遍原理性来看,数字PID中的比例积分微分环节,可以等效类比成R+C+L的三单元模型

QQ截图20160516203418.jpg
QQ截图20160516203557.jpg

数字PID补偿器可以提供一个单独的一阶极点,所以我们可以用来作为ESR零点抵消或是高频纹波衰减。而Kp, ki, kd可以方便地调节补偿器的Q值,这样不会存在Q值不匹配的情况。完美地解决了3型补偿中存在的问题。


关于更的环路设计问题,推荐 Sanjaya 的新作
Intuitive Analog to Digital Control  Loops in Switchers


QQ截图20160516204549.jpg    QQ截图20160516204617.jpg
本帖最后由 eric.wentx 于 2016-5-16 20:47 编辑

口乃心之门户
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  • 2016-5-15 10:45:40
 
向文工致敬
bake_ql
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高级工程师
  • 2016-5-15 22:06:35
 
忠于原作者的意图,加入版主的理解和注释,堪称Sanjaya注释经典
eric.wentx
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  • 2016-5-15 22:53:59
 
忠于原作者的意图,加入版主的理解和注释,堪称Sanjaya注释经典 ----- bake_ql  这句话份量太重太重!!!
OnLy_you201314
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高级工程师
  • 2016-5-16 11:53:00
 
求现场讲解视频
eric.wentx
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  • 2016-5-16 13:19:57
 
还在一步步处理!
我是谁
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副总工程师
  • 2016-5-16 15:00:13
 
版主能不能弄个pdf啊,视频什么的都放在一个资料包里,让我们这些没去的学习一下子,最好百度网盘。哈哈
eric.wentx
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  • 2016-5-16 17:14:14
 
PDF后续会传上来,其实给了PDF,大多数人都看不完,所以才有这个帖子的存在的意义。
我是谁
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LV8
副总工程师
  • 2016-5-17 10:32:30
 
主要网页不好做标记,而且有时候没网看不了,我看另外两个帖子也是版主大神弄得,希望所有资料打个包,供下载
eric.wentx
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  • 2016-5-17 10:56:13
 
转成PDF...
oldfang
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副总工程师
  • 2016-5-17 13:54:41
 
环路一直不太清楚,文工讲得挺好的。
hebaolee
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本网技师
  • 2016-5-22 11:03:35
 
给楼主手动点赞
沧海一粟
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高级工程师
  • 2016-5-23 15:08:41
 
真的是好贴,适合静下心来慢慢看,多次看,遇到问题回头看,
就这样,也许,
也许再过十年,我就能理解了

eric.wentx
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  • 2016-5-24 12:42:49
 
不需要10年了,真用10年去弄电源,绝对可以达到这个高度。
parry_2000
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  • 2017-7-7 23:35:54
  • 倒数8
 
能不能给个视频链接,谢谢
bake_ql
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高级工程师
  • 2016-5-17 12:40:33
 
文工名副其实,大家在聆听文工讲解同时,加入一些互动,是整个topic更丰富,同时个人理解也会加深哦
ruoshui136
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  • 2016-5-17 14:04:41
 
很好的资料,顶文公
maileyang
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  • 2016-5-21 11:10:19
 
来的晚,好贴啊!!
感谢文总工
diandianmiracle
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本网技师
  • 2016-10-20 21:59:59
 
楼主真棒,一直搞不懂这些环路传函,直到看到了这个帖子,受益匪浅。
谢谢sanjaya,谢谢楼主。向你们致敬!
Bodoni
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总工程师
  • 2016-5-16 11:57:33
 
很不错,很精彩,
请问总结贴完了吗?
Bodoni
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总工程师
  • 2016-5-16 11:58:03
 
很不错,很精彩,
请问总结贴完了吗?
eric.wentx
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版主
  • 2016-5-16 12:33:35
 
没有,还有一部分,这二天完成!

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Sanjaya
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副总工程师
  • 2016-5-16 12:59:15
 
All right, this is Sanjaya. I will wiork through Eric to get some answers over to you!

edgaogao
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高级工程师
  • 2016-5-16 17:41:38
 
支持,好好学习
Bodoni
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总工程师
  • 2016-5-16 19:36:37
 
wow, you are here!
welcome to BBS.21dianyuan.

skying
  • skying
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高级工程师
  • 2016-5-17 08:58:59
 
Welcome Sanjaya!!
Sanjaya
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副总工程师
  • 2016-5-17 10:43:04
 
Thank you friends

longwang
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副总工程师
  • 2016-5-17 12:21:22
 
好好学习
admin
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管理员
  • 2016-5-19 14:57:08
 
求助:精通开关电源设计二中这个公式是不是错的http://bbs.21dianyuan.com/forum. ... 40416&fromuid=1
yuanxuan
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LV2
本网技师
  • 2016-5-17 13:35:32
 
非常的不错~理论学习
ltpzm
  • ltpzm
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LV6
高级工程师
  • 2016-5-17 13:51:05
 
这么好的活动应该多来广东地区举行!!!!世纪电源网是越来越多福利了。
liaozhaocheng
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版主
  • 2016-5-17 14:59:41
 
真心不错
lilycowboy
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LV4
初级工程师
  • 2016-5-18 13:56:10
 
这是世纪电源网。。。。。。
echo55555
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LV6
高级工程师
  • 2016-5-18 16:23:27
 
好总结,很全面啊!控制环路优化设计,认真学习!
wszdxp2004
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LV8
副总工程师
  • 2016-5-18 17:05:42
 
很好的帖子了
guhaijiang
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LV2
本网技师
  • 2016-5-20 10:36:34
 
受教了 ,,,感觉学习到了很多,真是太好了
nc965
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版主
  • 2016-5-25 07:48:48
 
学习
清风慕竹
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LV6
高级工程师
  • 2016-5-25 11:10:02
 
顶起来,感谢文工哈
eric.wentx
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版主
  • 2016-5-25 11:51:51
 
在CCM PEAK模式时,那里面留下了一很复杂的问题, 就是CCM高占空比情况下的次谐波振荡与补偿问题。
nc965
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版主
  • 2016-5-25 12:37:31
 
如果从数控的DIP算法角度去看这个问题,是否会简化许多?
m15222272175
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本网技工
  • 2016-5-26 13:49:51
 
感谢楼主分享,给跪
xuanyifeng
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LV6
高级工程师
  • 2016-6-2 16:22:29
 
不错,赞一个
admin
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管理员
  • 2016-6-7 16:00:29
 
求助指导一下,谢谢<精通开关电源设计>--Dowell曲线绘制 寻求解决
http://bbs.21dianyuan.com/forum. ... 40993&fromuid=1

Sanjaya
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LV8
副总工程师
  • 2016-6-10 11:42:13
 
Very detailed step-by-step numerical example is provided in Switching Power Supply Design and Optimization Second Edition. The full procedure is iterative, and requires several pages to cover. Ask 21dianyuan to organize a free magnetics seminar...either live in Shenzhen, or Webinar and I will be able to help you more.. it is too long to answer here on bbs unfortunately.

harvey320
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LV3
助理工程师
  • 2016-6-24 15:59:42
 
A live seminar or a webinar, whatever, that is a great suggestion. Sanjaya,  if you are there, I will  attend this seminar or webinar .
wang1969
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LV6
高级工程师
  • 2016-7-21 11:15:52
 
多谢版主的中文注解,辛苦了。21电源网上好人真不少!
an000777121
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LV3
助理工程师
  • 2016-8-9 11:05:58
 
楼主辛苦,帖子很棒,谢谢
W345984823
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LV3
助理工程师
  • 2016-8-17 19:16:37
 
上传个PDF文档了,这么好的文章,需要珍藏,大赞----
zjxiao886
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积分:308
LV4
初级工程师
  • 2017-6-2 11:45:59
  • 倒数9
 
去年有幸去听了一场他的演讲 非常不错 希望如果有机会还可以听到
GLIHG
  • GLIHG
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  • 助理工程师
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  • 主题:2
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积分:215
LV3
助理工程师
  • 2017-12-6 12:03:46
  • 倒数6
 
值得学习,多谢版主的分析和总结
bywind
  • bywind
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  • 助理工程师
  • 积分:281
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  • 主题:2
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  • 帖子:35
积分:281
LV3
助理工程师
  • 2019-1-5 11:28:28
  • 倒数5
 
学习学习
kingtonliu
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  • 帖子:157
积分:2796
LV8
副总工程师
  • 2019-1-6 15:00:54
  • 倒数4
 
好东西,感谢楼主分享!
gengtao19921101
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LV3
助理工程师
  • 2019-1-13 12:43:10
  • 倒数3
 
感谢分享!
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