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波特图和补偿网络

2018-08-24 09:25:23 Scott Deuty 阅读:
波特图可用于测量增益以及频率随频率对数分度的变化。这些测量数据提供了大量有关系统性能的信息,包括稳定性和响应时间。本设计实例讨论了波特图这个基本的稳定性工具,显示了波特图与系统瞬态响应的关系,并介绍了三种典型的补偿网络类型。

一位技术杂志的编辑曾告诉我,由于读者在不断变化,所以杂志文章的选题每隔八个月要重复一次。我上次发表关于波特图的文章已经有一段时间了,我认为现在是时候机来更新一下这个基本的稳定性工具了。EJZednc

波特图可用于测量增益和频率随频率对数分度的变化。这些测量数据提供了大量有关系统性能的信息,包括稳定性和响应时间。振铃和其它可能性显示在性能曲线中。EJZednc

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图1:波特图与系统瞬态响应直接相关。EJZednc

波特图大多可以使用基本的代数来创建。为了做到这一点,我们可通过拉普拉斯变换实现内置的转换,从而简化数学运算。来自Microsemi的降压调节器传递函数如图1所示。EJZednc

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图2:来自Microsemi的降压调节器传递函数。EJZednc

ωo项是电路元器件的转折频率,本文稍后将会介绍。通过查看等式中的相应项并理解一些简单的规则可以估算波德图:EJZednc

• 分母中的一次方项EJZednc

o 从转折频率处开始,增益下降20dB/dec;EJZednc
o 从一个转折频率到下一个转折频率,每十倍频程,相位翻转45°。EJZednc

• 分母中的“s”平方项EJZednc

o 从转折频率处开始,增益下降40dB/dec;EJZednc
o 从一个转折频率到下一个转折频率,每十倍频程,相位翻转90°。EJZednc

平方项是“双极点”,总相位滞后180°。EJZednc

一次项是“单极点”,具有0°总相位滞后。EJZednc

分子中的项在线形图中增加而不是减少了。增益和相位的例外是右半平面零点,由于“s”是负值,因而增益增加、相位减小。EJZednc

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图3:RHP零方程和线形图形。EJZednc

基本的L(电感)和C(电容)元件如图4所示。EJZednc

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图4:基本降压稳压器电源和控制元器件。EJZednc

从这些图产生了补偿网络。补偿网络的目的是在增益超过0dB(增益为1)的那一点具有足够的相位裕度。对于大多数脉冲宽度调制转换器,这远低于只有开关频率一半的奈奎斯特速率。相位裕度其实就是180°相移之间的度数差。大多数情况下,45°的相位裕度被认为是稳定的。30°的相位裕度也有可能,但它的稳定可能是有条件的。EJZednc
典型的补偿网络分为类型1、类型2和类型3,如图5所示。EJZednc

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图5:三种常见的补偿网络类型。EJZednc

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图6:基本的运算放大器补偿。
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有时运算放大器的计算会令人困惑,特别是对初学者而言。诀窍是将负运算放大器输入视为固定的直流电压,将其当做交流接地。然后,用阻抗代替电阻,使Rf变为Zf,Rin变为Zin。我们知道交流电流从Vin流向Vout,方程式变为:EJZednc

交流电流 = Vin/Zin = -Vout/ZfEJZednc

求增益的值,得到Vout/Vin = -Zf/Zin。只需根据补偿类型(上面的类型1、2或3)替换Z值中的阻抗。这有助于了解阻抗:EJZednc

• 电感 = sL = jωLEJZednc
• 电容 = 1/sC = 1/jωCEJZednc
• 电阻就是REJZednc

通过在功率级波特图上绘制补偿波特图并添加两个图,可以相当容易地实现稳定性。修改的Excel文件示例如图7所示。EJZednc

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图7:修改的Excel文件示例。EJZednc

该增益组合是系统的开环增益,用来确定稳定性和瞬态响应。EJZednc

我喜欢绘制各个分支阻抗图,以查看电阻和电容之间的AC“转折”或“短路”的位置。可以通过更改元件值来查看频率的改变。更为重要的是,改变这些值可以改变波特图。这有助于了解系统的运行情况。EJZednc

这里的目标是在交叉频率附近让斜率为-1(-20dB/dec),在这个频率点上曲线越过0dB。一旦增益图看起来不错了,就可以添加补偿网络和主功率级相位图,然后将它们加进来形成组合图。检查交叉频率的相位裕度,以确保稳定运行,这样就大功告成了!EJZednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下网站Planet Analog,参考链接:Bode Plots and Compensation Networks。)EJZednc

《电子技术设计》2018年9月刊版权所有,禁止转载。EJZednc

Scott Deuty
Scott Deuty是资深电力电子工程师,具有超过30年的工程、营销、业务开发和写作经验。Scott Deuty拥有弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 (CPES) 硕士学位。
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