开关电源环路补偿--开关电源进阶知识补充3 环路补偿数学模型
2026/7/19 6:04:48 网站建设 项目流程

继前面(开关电源进阶知识补充2)中了解到了,为什么要使用伯德图进行分析,伯德图只是一种频域分析方法、由于其许多优点,广泛用于工程上。
时间域上的连续函数,若是满足一定条件,可以在频域上可以分解为众多的不同频率的虚指数分量之和,换句话说,时域上连续的函数可以在频域上分解得到其组成成员。
有点像是一首曲子,时间域上是一条高低起伏不规律但是语调优美的曲子,转换成频域之后就得到了其组成的各个音符。按一定规则束缚住每个音符的频域响应,转换成时域时候曲调就不会过于尖锐。

那么这个时候我有个疑问,稳定系统的频率响应伯德图对应于时域的曲线是怎么样的,为什么一定要将系统补偿成-20db/dec 这个样子?

伯德图分析属于频域分析,时域里面衡量系统稳定性的参数为阻尼,那么时域里面怎么衡量系统稳定性呢?

频域的相对稳定性即稳定裕度常用相角裕度y和幅值裕度h来度量。相角裕度的含义是,对于闭环稳定系统,如果系统开环相频特性再滞后 y 度,则系统将处于临界稳定状态。幅值裕度h的含义是,对于闭环稳定系统,如果系统开环幅频率特性再增大h倍,则系统将处于临界稳定状态。

从这里可以得出一个小结论,若是我想要获得在一定开关频率下具有较大的电压调节范围,我需要调整的RFBT 。
自动控制原理图中例 5-15 通过绘制典型二阶系统的开环频率特性曲线分析,表明减小开环增益K 可以增大系统的相角裕度,但K 的减小会使系统的稳态误差变大。

并且自动控制原理中指出,这一点和企业上培训资料取得一致:“ 适当的相角裕度和幅值裕度可以防止系统中元件老化造成的影响,并且指明了频率值。为了得到满意的性能,相角裕度应当在30°~60°之间,幅值裕度应当大于6分贝。对于具有上述裕度的最小相位系统,即使开环增益与元件的时间常数在一定范围内变化,也能保证系统的稳定性。”

“对于非最小相位系统开环传递函数的幅值和相位特性有一定关系,要求相位裕度在30°~60度之间,即在伯德图中,对数幅值曲线的斜率应该大于-40db/dec 。在大多数实际情况中,为了保证系统稳定,要求,截止频率出的斜率为-20db/dec 。如果截止频率上的斜率为-40db/dec 如果截止频率上的斜率为-40db/dec,则系统可能是稳定的,也可能是不稳定的(即使系统是稳定的,相角裕度也比较小),如果斜率为-60db/dec,或者更陡,则系统多半是不稳定的”

在<开关电源进阶知识补充1>中我们提到经过补偿之后的环路响应曲线应该接近如下曲线,对于这个曲线,其实我脑海里第一反应时运放的开环增益的伯德图,打开OPA2188数据手册可以看到其开环增益伯德图。


这个是opa2188 开环增益伯德图

观察一下二阶补偿和电流型BUCK 功率级伯德图,发现如果两者的gain margin 曲线的拐点重合则补偿得到的曲线趋势接近为 目标曲线,这就意味着系统频率响应会比较稳定。

老师上课有说到: s=σ+jω

我们知道复频域
网上百度一下,从自动控制原理书中得到 S 的展开

百度一下 什么传递函数的伯德图和补偿之后稳定系统的伯德图类似? 找到了,一阶低通滤波器。
区别在于他们的起始的phase margin 和gain margin 值不同,但是他们的趋势相近,这个稳定系统的伯德图也频频在电压型运放中出现 --比如 OPA2188 的开环增益与输入信号频率伯德图中。

也就说电压信号在经过稳定的电源IC及其外围电路或是经过运放之后相当是经过了一个特殊的低通滤波器,这个低通滤波器对于低频信号有较大增益而对于高频信号有较大衰减。

运放和电源IC 的区别在于 运放对于低频信号的可调增益更大,而电源IC 由于使用需要也需要强调低频的抑制能力,不能将输入的低频信号也进行放大。

出于这个理解,虽然可能不完全正确。但是

我可以认为 输入信号若是以低频振荡,这个振荡同样也会传递到输出
若是将电源IC 等效为一个低通滤波器,将电源TOP 结构进一步优化,调节环路,将其等效为二阶 三阶段低通滤波器也未尝不可,切比雪夫,贝塞尔等等典型的滤波器结构似乎也可以驰骋一下想象。


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