纠缠不休的环路补偿

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1、回顾我们在学校学习过的控制理论知识便知，所有控制系统均可以通过传输函数模块得到简化。峰值电流模式控制电源转换器中的电压控制环路也不例外。电压环路(TV(f))可以简化表示为不同传输模块的积（请参见图1）。首先是功率级控制输出传输函数(GCO(f))，其表示为输出电压变化(∆VOUT)与控制电压变化(∆VC)的比。请注意，该模块实际为脉宽调制(PWM)调制器增益(K)和电源输出滤波器增益(GF(f))的组合。其次通常为控制传输函数(GC(f))的输出有时称作补偿传输函数，可以表示为∆VC与∆VOUT变化的比。如果使用了光隔离器，则也会有一个传输函数模块GOPTO(f)，其位于模块K和

2、–GC(f)模块之间的连线上。图1简化后的电源电压环路模块结构图图2显示了一个峰值电流模式控制正向转换器的功能示意图，如图1结构图所示。控制模块由一些虚线区分。图2简化后的电源电压环路结构图起初，峰值电流模式控制背后的想法是控制通过功率级电感的平均电流，从而使它看起来像是一个去除了双极的电流源，而该双极出现在输出电容(COUT)和功率级电感(LOUT)的交互作用之间。图3显示了这种模型的控制结构图。图3将电感建模为一个电流源的峰值电流模式控制图2的简化控制输出传输(GCO(f))函数表示如下。其中，(a)为变压器匝数比，而RLOAD为转换器输出负载阻抗。COUT为转换器输出滤波器电

3、容，而RESR为COUT的等效串联电阻。由该控制输出传输函数，您会看到COUT和RESR交互作用之间有一个零点，并在RLOAD和COUT交互作用之间有一个极点。随着时间的流逝，工程师在使用峰值电流模式控制时发现了一个大约在半开关频率(fs)出现的GCO(f)双极(fPP)。下列方程式描述了峰值电流模式正向转换器的GCO(f)，包括fPP的影响。请注意，如果您使用网络分析仪对正向转换器进行分析时，您会发现这种传输函数并没有精确地匹配模型描述情况。由于RESR和COUT交互作用出现的零位(FZCO)随负载移动。fPP出现在略微超出半开关频率时。在没有一个精确模型的情况下，您到底会如何对

4、电压环路进行补偿呢？您可以循规蹈矩，遵循其他工程师已使用多年的老办法。也就是使用一个网络分析仪，根据测得的GCO(f)来补偿电压环路，并遵循一些简单原则来获得稳定性（本文将有所介绍）。斜率补偿人们在峰值电流模式控制转换器中发现，存在占空比突然改变引起的次谐波振荡。这是因为由于控制电压(VC)无法足够快地校正占空比改变，因而占空比改变便会导致平均输出电流(IOUT1,IOUT2)误差。为对这一误差进行校正，人们设计了一种的被称作斜率补偿的方法。这种方法将三角电压波形添加到电流感应信号(V2=VSLOPE+VRSENSE)，该信号强制平均输出电流不随占空比改变而变化。更多详情，请参见图

5、4。人们在峰值电流模式控制转换器中发现，存在占空比突然改变引起的次谐波振荡。这是因为由于控制电压(VC)无法足够快地校正占空比改变，因而占空比改变便会导致平均输出电流(IOUT1,IOUT2)误差。为对这一误差进行校正，人们设计了一种的被称作斜率补偿的方法。这种方法将三角电压波形添加到电流感应信号(V2=VSLOPE+VRSENSE)，该信号强制平均输出电流不随占空比改变而变化。更多详情，请参见图4。建立峰值电流模式控制的控制环路过程中，最重要的步骤之一是正确地添加斜率补偿到电流感应信号(VRSENSE)。如果您不使用斜率补偿，则您会一直同次谐波振荡纠缠不休，即使您的网络分析仪显示

6、环路应该稳定了。如果您添加很多斜率补偿，则转换器会工作在电压模式控制模式下且运行不正常，也可能会不稳定。一般来说，将等于1/2输出电感电流(dILOUT)下斜坡斜率的斜率补偿(VSLOPE)添加到电流感应信号有助于确保稳定性。下列方程式计算了图2所示峰值电流模式正向控制转换器的斜率补偿(VSLOPE)。其中，dILOUT为电感纹波电流变化，而VOUT为输出电压。LOUT为输出滤波器电感，而D为转换器占空比。变量fs为转换器开关频率。如果您的设计使用了变压器，则主绕组磁化电感(LM)引起的变压器主磁化电流(dILM)会增加一些斜率补偿，在添加斜率补偿时需考虑这种补偿。为了确保转换器未

7、工作在电压模式控制下，建议您为设计选择的变压器具有小于二分之一反射输出电感电流下斜坡斜率(dILOUT)的dILM。可利用下列方程式，为图1-2所示正向转换器选择正确的斜率补偿数。实现稳定性的一般原则在电源控制环路(TV(f))中，当环路为180度相位差时，其相当于交换反馈网络(GC(f))所用运算放大器的输入极性。如果这种情况出现在反馈环路有一个环路增益时的电压环路交叉，则其会变得不稳定并突然开始振荡。为了保证不出现这种情况，我们一般在电压环路交叉设计TV(f)45