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原创 第8期 原创赛

讨论下反馈环路

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gjtttt
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高级工程师
  • 2017-12-18 22:46:51
    其实我就想发个贴看看大家在环路调试中是怎么弄的
    先从接触环路开始吧,一开始接触环路是从反激电源以及BUCK/BUCK-BOOST等小功率电源中接触的,原理图也很简单,就几个电阻电容
    例如:
有这样的, 2.png ,也有这样的 1.png
   其实一开始的时候我是从来没关心过这些东西的,反正电路图也是抄的,供电--有输出电压---输出电压正常---ok
   然后,某一天从TI的培训课程中得知了有TYPE I型补偿、TYPE II型补偿和TYPE III型补偿这么个概念。
   如下图:
TYPE I, 11.png
TYPE II, 22.png
TYPE III,
     这些都是我厚颜无耻从TI培训资料上截图的,百度上有详细资料,https://wenku.baidu.com/view/c2b84a6d8e9951e79b8927e3.html,介绍的内容也主要是从如何最优化环路设计上出发的,涉及到一大波自控上面的知识,我的理解是,最理想的优化过后的系统穿环接近于G(s)H(s)=DC_Gain/(Ki*S),也就是系统的零极点和反馈环路零极点对消,最后只剩下一个自己构建的1/S环节。当然这是理想效果。
     后来接触的多了,知道了动态负载响应这个参数,也就是评价负载变换对输出电压的影响,主要指标为过冲电压和恢复时间。其次随着环境(温度等)变化,对系统参数影响很大,严重影响系统的传递函数,然后可能会导致很致命的问题。然后被迫就得调节环路参数了。
     一个很致命的问题摆在面前,环路参数怎么调节,涉及到穿越频率、中频带、相位余量、增益余量等等,怎样通过这几个电阻电容调节?
     例如,这是一个实测的伯德图 55.png
     
     我觉得还是说实例好点,下面是调试一款BUCK-BOOST电源得来的,用的TI的LM5118的方案,输入9-16V,输出12V/3A
     其他的东西就不聊了,毕竟主题是折腾环路。
    原理图, 66.png
    芯片控制方式,仿峰值电流控制方式Emulated Current Mode (ECM),其实和峰值电流控制模式类似
    反馈补偿,TYPE II型补偿。
    用推荐参数实测的伯德图, 77.png
    其实这个够用了,毕竟是推荐参数,本着不折腾不舒服的想法,说说我怎么改变它的相位裕度。
    其实从伯德图上来看,改变它的相位裕度有俩种方式,一是将穿越频率前移,但是我现在穿越频率已经只有600Hz,在往前移很明显会让动态响应更糟糕;因此我采用的是第二种,将穿越频率后移。
    下面是我折腾后的伯德图, 8.png
    我折腾的方式直观来说就是这样, 123.png
    调试的方法也有俩种。
    其一,改变系统穿环的特性,系统的传函是这个,
    99.png
      Wr是复平面零点,Wz是ESR零点,Wp是主RC极点,Wn是采样-保持双极点
      增大穿越频率的方式很简单,你将主RC极点的位置往后移就行了,采用的方式很简单,将输出电容减小就行了(这个应该也很容易理解,输出电容越小,反应速度越快啊,没毛病。。),看下面的图更有感觉,主RC极点的位置后移,你整个开环传函就会往后推,然后穿越频率就会增大
       12.png 变为 12345.png
    其二,调节反馈环路:
    也就是调整这个图,


    增大Rcomp电阻,会发生这样的变化, 1234567.png
    增大Ccomp电容,分析和上面的类似;
    降低Chf电容,分析也和上面的类似;(保证Ccomp>>Chf)
    然后你就可以得到你想要的bode图了,补充一句,在bode图里面,系统开环传函=系统传函+反馈环路函数,真的只是单纯的加法。
    但是以上的实验是最后是失败的,随着穿越频率上升,相位裕度在降低,动态响应也越来越好,但是最后由于过于接近复平面零点,系统崩溃了。。
    对了,上面系统函数的建立依据的是这个。 Understanding and Applying Current-Mode Control Theory.pdf (409.55 KB, 下载次数: 47)
8.png
h8f10
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  • 2017-12-19 08:51:59
 
坐等,我嘛,都是试的,正想提升一下自己
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  • 2017-12-19 11:07:09
 
请问,你的波特图怎么测出来的?
h8f10
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  • 2017-12-19 11:56:08
 
网络分析仪啊,或者叫环路分析仪
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  • 2017-12-19 13:55:05
 
我们公司没有这个...可是我好想用一用
frodo_chen
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本网技师
  • 2018-3-3 21:01:45
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aa20897
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  • 2018-1-2 21:15:37
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如果是仿真验证就方便多了
gaohq
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  • 2017-12-19 13:14:41
 
坐看楼主怎么改变相位余量
何仙公
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  • 2017-12-19 13:51:59
 
楼主是打算算环路呢,还是打算测试环路?
gjtttt
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  • 2017-12-19 22:16:38
 
老实讲,我都干过,所以说你想讨论讨论哪方面?
gjtttt
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  • 2017-12-19 21:30:12
 
一般来说,你把穿越频率放大,相位裕度会减小,动态反应(调节速度)会快点,上面给的图为89°,有点大了,离理想的45°有点差距。当然不同的系统情况不一样。这东西不能一锤子打死
liguanghui2588
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  • 2017-12-19 15:10:05
 
环路补偿主要就是运放这块吗
gjtttt
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  • 2017-12-19 21:31:13
 
目前针对这些采用模拟PWM控制芯片是这样的
liguanghui2588
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  • 2017-12-19 23:11:28
 
需要模型分析啊
gjtttt
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  • 2017-12-19 22:13:47
 
   接上面实测的伯德图,首先低频段的问题我认为是机器原因,可能是测试方式/方法不当引起,因为从模型上来说不应该出现这种瞬变的波形(模型没有在低频的状况出现类似于双极点的频率)。中频段可能出现的问题是带宽比较低,相位余量有点高,而且穿越频率可能不太合适(离复平面零点有点近了)。高频段那就不能看了,现在分析的结论和采样-保持环节、复平面零点、电容的高频ESL等等都有点关系,当然可因为我也不关注高频,所以这部分考虑的比较少。   现在来聊聊这些概念,当然这些都是个人理解,所以希望各位大神能多提提意见
   穿越频率,也就是增益曲线穿过0dB这条线所对应的频率,这个频率和很多东西有关,最直接的影响是,当你的穿越频率越高,你系统的动态响应越好,也就意味着在负载切换的瞬间,系统调节的速度越快,而且所对应的过冲也越低。当然这个也不是越高越好,有理论说穿越频率一般取到开关频率的1/10到1/6的位置,当然我们也弄过穿越频率为开关频率1/100的情况,甚至以下。因为穿越频率过高,对于BOOST、BUCK-BOOST、flyback这种具备一个很麻烦的复平面零点的系统,穿越频率越接近复平面零点,可能会直接导致你系统奔溃,其次,穿越频率越高,也就意味着你系统很容易受到一些扰动而崩溃了。
   相位余量,也就是穿越频率所对应的相位曲线交点-180°(这个自控书上有讲到,实测的伯德图之所以能直接读出来,是因为环路分析仪已经处理过了),理论上认为大于30°的系统都是稳定的,45°是一个比较理想的值,当然一般情况下八九十度也没什么问题,甚至在某些功能上会更优秀。
   增益余量,这个指的是相位曲线第一个穿越-180°所对应的增益曲线点(实测的那个图已经处理过了,所以也就是对应相位曲线0°的那个点),这个我的理解是只要它是负值都没什么问题,也就意味着你的系统是稳定的,当然你别太接近0了。其他的目前也没发现什么了。。
   中频带宽,也就是穿越频率附近-20dB曲线的宽度,理论给的是这个宽度越宽,你系统的动态响应性能越好,但是实测并没有什么效果,可能我接触的少了,但是有一点需要注意的是,穿过0dB的曲线一定需要-20dB,如果你以-40dB穿过0dB,那么你的系统可能面临着很严重的风险。
   复平面零点,这是因为在BOOST、BUCK-BOOST、flyback等LC滤波中夹杂了MOS/二极管这类器件导致的。这个零点在bode图上的表现为增益曲线会以20dB上升,而相位曲线却以-45°(还是90°来着)下降。而一般的零点是增益以20dB上升,相位以45°上升。看了一些资料,都表示这东西没法补偿,而且会给系统带来不确定的因素,注意是不确定的因素,因为在某些系统上这个点一点问题都没有。理论提供的建议是将你的穿越频率设定的远低于这个点。因为接近了会带来不可预知的后果。。



心如刀割
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  • 2017-12-19 22:29:24
 
学习,一直没搞懂原理,参数都是调试来的。
gaohq
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  • 2017-12-20 08:28:53
 
复平面零点就是一般所说的 右半平面零点。

不如就以你实际测试的那个图为例讲讲如何将相位余量改为45度吧。
liguanghui2588
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  • 2017-12-20 22:01:19
 
反馈环路涉及知识面宽
gxg1122
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  • 2017-12-26 12:53:14
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学习受教了。
gjtttt
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  • 2017-12-20 23:32:27
 
有木有管理员啊,最后这图咋删不掉了,,,
gaohq
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  • 2017-12-21 08:20:32
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增益曲线右移了,相位曲线没变吗?
gjtttt
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  • 2017-12-21 12:45:57
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这个和你系统开环的零极点有关啊,一个1/s环节下降90度,s环节下降上升90度,从以45度斜率上升下降,所以当你的改变的零极点距离穿越频率比较远的时候,从整个系统来看,影响的并不大,所以才会出现实测的那俩个波形
wwf_8023
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  • 2017-12-21 15:30:18
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理论性好强,跟着学习学习,有机会做项目的时候试试,
liguanghui2588
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  • 2017-12-27 16:31:36
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这个理论性的确是非常强的
aa20897
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  • 2018-1-3 20:52:17
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还是结合实际的东西说比较有意思一些,理论书上一大把。
月下的小马
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学习来啦,支持楼主
XIAOTU80
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