反馈环路稳定.ppt

关于反馈环路的稳定第一张，PPT共一百页，创作于2022年6月 图12.1所示电路是考虑低频信号作用时的负反馈稳压系统。然而环路中可能存在低电平的噪声电压或暂态电压，它们的正弦傅里叶分量的频谱很宽。这些傅里叶分量经过输出滤波器的L0、C0、误差放大器，以及PWM调制器(Vea到Vsr）后的增益变化和相移都是不一样的。、12.1引言引言第二张，PPT共一百页，创作于2022年6月 若某一傅里叶分量的环路增益是1，额外的相移为180（第一个180 来源于负反馈连接），总的相移为360，则反馈后的信号将会与输入同相，即会变成正反馈，而不是所期望的负反馈，从而引起下面所说的振荡。、ooo12.1引言引言第三张，PPT共一百页，创作于2022年6月 、以图12.1中的正激变换器反馈环路为例，假设在某一时刻，环路在误差放大器的反相端B点断开。在环路断开前，所有的傅里叶分量从B点到Vea，从Vea到平均电压Vsr，再从平均电压Vsr通过Lo、Co滤波器返回到Bb(即环路的断开处)的过程中，都有增益变化和相移。12.2系统振荡原理系统振荡原理第四张，PPT共一百页，创作于2022年6月 、假设此时有一频率为f1的干扰信号进入B点，经过上述的路径后返回到Bb，得到的响应信号(echo)的相位和增益与原B点信号相比都发生了变化。倘若响应信号正好与原信号同相位且幅值相等，而此时环路恢复正常的闭合状态(Bb与B相连)，并且外部注入的干扰信号消失，电路中仍将存在频率为f1的持续振荡。引起并维持振荡的干扰信号就是噪声谱中频率为f1的傅里叶分量。12.2系统振荡原理系统振荡原理第五张，PPT共一百页，创作于2022年6月 稳定环路的第一个准则是：在开环总增益为1的交越频率处，系统的总开环相移必须小于360 。这里包括了负反馈带来的180 相移。在交越频率处，总相移小于360 的角度称为相位裕量。为了保证系统在各元件的参数发生变化的最恶劣情况下仍然保持环路稳定，通常的设计准则是使系统至少有35 45 的相位裕量。ooooo12.2.1电路稳定的增益准则电路稳定的增益准则第六张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.2典型网络及其传递函数(a)R/C网络；(b)C/R网络；(c)L/C/R网络 增益变化20dB(即代数变化10倍)时，频率变化10倍，则该增益的变化率为20dB/dec，斜率为1。因此，增益变化率为20dB/dec的电路也称为1增益斜率电路。12.2.2电路稳定的增益斜率准则电路稳定的增益斜率准则 第七张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.2典型网络及其传递函数(a)R/C网络；(b)C/R网络；(c)L/C/R网络 电路稳定的增益斜率准则电路稳定的增益斜率准则 图12.2(a)为RC积分电路，在极点fp=1/2R1C1后的增益斜率dVo/dVin为-20dB/dec，即频率变化10倍时，增益变化20dB。-20dB/dec即是-1增益斜率，这种电路也称为-1斜率电路。第八张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.2典型网络及其传递函数(a)R/C网络；(b)C/R网络；(c)L/C/R网络 12.2.2电路稳定的增益斜率准则电路稳定的增益斜率准则 图12.2(b)为RC微分电路，在零点fz=1/2R2C2前的增益斜率为+20dB/dec，零点处有Xc2=R2。零点后增益渐近逼近0dB。频率每变化10倍频，增益变化20dB,+20dB/dec为+1的增益斜率，这种电路也称为+1斜率电路。第九张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.2典型网络及其传递函数(a)R/C网络；(b)C/R网络；(c)L/C/R网络 12.2.2电路稳定的增益斜率准则电路稳定的增益斜率准则 图12.2(c)为L/C/R滤波电路，在临界阻尼 情况下，增益 在转折频率 前为1(即0dB)。转折频率后，增益的斜率变成-40dB/dec，这是因为频率每增加10倍，变大10倍，而减小10倍。频率变化10倍时，增益变化40dB，-40dB/dec的增益斜率为-2，这种电路也称为-2斜率电路。第十张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.2典型网络及其传递函数(a)R/C网络；(b)C/R网络；(c)L/C/R网络 12.2.2电路稳定的增益斜率准则电路稳定的增益斜率准则 图12.2(a)所示的RC积分电路就是典型的增益斜率为-1(交越频率后)的电路。图12.2(b)中的RC微分电路在交越频率前的增益斜率是+1，或者说增益变化率为20dB/dec。因为当频率每增加或减少10倍时，容抗也增加或减少10倍，但电阻的阻抗保持不变，所以这类电路只有20dB/dec的增益变化率。不考虑输出电容中的等效串联电阻(ESR)时，输出LC滤波电路(图12.2(c)具有-2(或者说-40dB/dec)的增益斜率。这是因为，当频率增大10倍时，电感的感抗增大10倍，与此同时，电容的容抗减小10倍。第十一张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.3(a)开关调整器的LC滤波器幅频特性；(b)开关调整器的LC滤波器相频特性 图12.3(a)和图12.3(b)所示的是对应于不同输出阻抗R0值时，LoCo滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线。图中的曲线是对应于不同比率 和 的归一化曲线。图12.3(a)表明，无论k2取何值，所有的增益曲线在频率高于转折频率 时，斜率渐近于-2(-40dB/dec)。K2=1.0的电路，称为临界阻尼电路。临界阻尼电路的增益具有非常小的谐振峰值，在交越频率F0后会立即以-2的斜率开始下降。第十二张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.3(a)开关调整器的LC滤波器幅频特性；(b)开关调整器的LC滤波器相频特性 K21.0的电路称为欠阻尼电路。欠阻尼LC滤波器的增益在频率F0处，有一个非常大的谐振峰值。K21.0的电路是过阻尼电路。从图12.3(a)可以看出，过阻尼的LC滤波器也渐近地趋近-2增益斜率。但若是对于严重过阻尼(k2=0.1)的滤波器，幅频曲线直到交越频率Fo的20倍处，增益斜率才接近-2。第十三张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.3(a)开关调整器的LC滤波器幅频特性；(b)开关调整器的LC滤波器相频特性 图12.3(b)所示为不同比值 下，相移与归一化频率(f/F0)的关系曲线。从图中可以看出，对任意k2值，在转折频率处，输出相对于输入的相移都是90度。但是对于严重欠阻尼滤波器()，相移随频率变化得很快。对 的相频曲线来说，1.5F0频率处的相移已经接近170度。相比之下，-1增益斜率电路的相移不会超过90度，其相移的变化率远低于增益斜率为-2的电路，如图12.3(b)。第十四张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.4总开环增益和相移。通常使得交越频率为开关频率的1/4或者1/5。为了使系统稳定，相位裕量应该尽量大，应该至少有45 。总开环增益在交越频率时的斜率应为-1。o 由此得出系统稳定的第二条准则。第一个准则是，交越频率处(开环增益为1即0dB，增益曲线过零点)总开环相移小于360o的角度，即相位裕量，通常至少要大于45o。系统稳定的第二个准则是，为防止-2增益斜率电路相位的快速变化，系统的总开环增益在交越频率处的斜率应为-1。总增益为回路中所有环节增益的对数和。这一准则可以防止相移随频率变化速度过快，而-2增益斜率电路本身便具有相移变化速度快的特性，如图12.4所示。第十五张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.4总开环增益和相移。通常使得交越频率为开关频率的1/4或者1/5。为了使系统稳定，相位裕量应该尽量大，应该至少有45 。总开环增益在交越频率时的斜率应为-1。o 应当注意，并不是要求开环增益曲线在交越频率附近的增益斜率必须为1，但是这能够保证当环路中某些环节的相位变化被忽略而没有被计算在内时，仍能有足够的相位裕量。稳定电路的第三条准则是，提供所需的相位裕量，在此(图12.4)规定为45度。第十六张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.2.3输出输出LC滤波器的增益特性滤波器的增益特性(输出电容含输出电容含/不含不含ESR)除反激变换器(只含有一个输出滤波电容)外，这里讨论的所有电路拓扑中都含有输出LC滤波器。LC输出滤波器幅频特性是非常重要的，必须首先计算，因为它决定了该如何调整误差放大器的频率特性曲线的形状，以满足系统稳定的三条准则。图12.3(a)为不同的输出负载电阻下，输出LC滤波器的增益特性。这里假设输出电容不含等效串联电阻(ESR)。为了便于讨论，假设输出滤波器处于临界阻尼，即 。如果系统在临界阻尼点 是稳定的，那么在其他负载情况下也是稳定的。然而，在轻载工作（）的情况下，因为在LC转折频率（）处，增益曲线上存在谐振峰值，需对此种情况着重说明。这将在下面详细论述。第十七张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.5(a)临界阻尼的LC滤波器的增益特性(输出电容不含等效串联电阻ESR)没有ESR的LC输出滤波器的增益特性如图12.5(a)曲线中12345段所示。从图12.5中可以看出，在频率小于转折频率 的低频段内，增益为0dB(代数增益为1)。在直流以及频率低于F0的低频段，Co的阻抗远大于Lo的阻抗，同时输出/输入的增益为1。频率高于转折频率F0以后，Co的容抗以20dB/dec的速率减小，同时Lo的感抗以20dB/dec的速率增大，使增益以-40dB/dec的速率，或者说以-2的斜率下降。当然，增益曲线在转折频率F0处并非陡峭的由0dB变到-2斜率。实际的增益曲线在之前平滑地从0dB下降，在F0之后快速渐近至-2斜率。第十八张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.5(b)临界阻尼的LC滤波器的增益特性(输出电容含ESR)。但是，如图12.5(b)所示，大部分滤波电容都有内在的串联等效电阻Resr，串联在两个引脚之间，这将改变输出与输入之间的增益特性。当频率刚开始高于Fo时，Co的阻抗仍远大于Resr。这时，从Vo到地真正有效的阻抗只有Co的阻抗。在这一频率范围内，增益仍以-2斜率下降。在更高的频率处，Co的阻抗会小于Resr，从Vo到地的有效阻抗变为只有Resr。因此，在这个频率范围内，电路可认为是LR电路而不是LC电路。此时，Lo的阻抗以20dB/dec的速率增大，而Resr保持不变。故在此频率范围内，增益以-1斜率下降。增益斜率由-2变为-1的转折点在频率 处，此时Co的容抗等于Resr。增益曲线如图12.5(b)中的曲线123456段所示，图中的Fesr即为斜率转折点。实际上增益斜率由-2到-1的转折是平滑的，但可将其假设为如图12.5所示的突变过程。第十九张，PPT共一百页，创作于2022年6月脉宽调制器的增益脉宽调制器的增益 在图12.1中，从误差放大器的输出端到平均电压Vsr(输出电感的输入端电压)的增益，称为PWM增益，用GPWM表示。PWM增益是一种电压增益。这是因为，Vea处的电压是轻微变化的，并与误差放大器的B点输入电压成正比。而Vsr处为幅值固定，脉宽变化的PWM脉冲，脉宽又与Vea成正比。在图12.1中，PWM脉宽调制器将直流电压Vea与幅值为3V的三角波Vf进行比较。对于可以输出两路相位相差180度且脉冲的脉宽可调(用来驱动推挽、半桥或全桥电路)的PWM芯片，每个三角波周期对应一个脉冲，最大导通时间即高电平时间为半个周期。在PWM之后，脉冲分两路输出，交替地发送到两个独立的输出端。对于正激变换器，只需要其中的一路输出。第二十张，PPT共一百页，创作于2022年6月对于ESR很大的Co，增益斜率依然是在Fcnr处由水平变为-2斜率。但是在频率 Fesr=1/(2ResrCo)处，增益曲线变为-1，因为在Fesr处，有Xco=Resr，而且相比Resr而言，Xco随频的率增大而越来越小。频率高于Fesr时，电路由LC电路变为LR电路。随着频率升高，LR电路的增益斜率降为-1，因为L的感抗会随频率升高而变大，但电阻R的阻抗不会随着频率而改变。第二十一张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.1(b)中，当Vea等于三角波的最低电压时，Vsr处的脉冲导通时间或脉宽为零。此时Vsr处的平均电压Vav也是零，这是因为Vav=(Vsp-1)(ton/T)，其中Vsp是次级线圈上的峰值电压。当Vea升高至3V三角波的最高电压时，有ton/T=0.5，Vav=0.5(Vsp-1)。因此，Vav和Vea之间的调制器增益Gm为该增益与频率无关。第二十二张，PPT共一百页，创作于2022年6月在图12.1中，由于采样网络R1、R2的存在，会有增益衰减(负增益)Gs。大部分常用的PWM芯片的误差放大器A点的输入参考电压为2.5V。因此在图12.1中，当采样+5V的输出电压时，若R1=R2，Vs和Vo之间的增益Gs是-6dB。第二十三张，PPT共一百页，创作于2022年6月LC输出滤波器加调制器和采样网络的总增益输出滤波器加调制器和采样网络的总增益 如上所述，输出LC滤波器增益Gf加上调制器增益Gm，再加上采样网络增益Gs，所得的总增益Gt(以分贝表示)如图12.6所示。从直流到 的低频范围内，总增益Gt等于Gm+Gs。在转折频率Fo处，增益Gt的斜率变为-2，并保持-2斜率直到频率Fesr。当频率等于Fesr时，Co的容抗等于Resr。在频率Fesr处，增益Gs的斜率变为-1。通过这条曲线，再根据系统稳定的三个准则，就可以决定误差放大器的增益和相频特性。第二十四张，PPT共一百页，创作于2022年6月误差放大器幅频特性曲线的设计误差放大器幅频特性曲线的设计 系统稳定的第一条准则是，在交越频率Fco处(总开环增益0dB处)，总开环相移必须小于360度。在这里，相位裕量取为45度 设计步骤：首先确定系统开环增益为0dB时的频率，即交越频率Fco；然后选定误差放大器增益，使系统总开环增益在此频率处为0dB；下一步是设定误差放大器增益斜率，使系统总开环增益曲线在穿过交越频率时的斜率为-1(图12.4)；最后调整误差放大器的增益曲线，以获得所需的相位裕量。根据采样定理，为了保证系统稳定，交越频率Fco必须小于开关频率的1/2。但实际上，Fco必须远远小于开关频率的1/2，否则在输出中将会有很大的开关纹波。因此，通常将Fco选取为开关频率的1/41/5。第二十五张，PPT共一百页，创作于2022年6月 参考图l2.6，总增益是由LC滤波器加上PWM调制器再加上采样网络的增益总和。假设图12.6中输出滤波器的电容含有ESR，这使得在频率Fesr=1/2ResrCo处，增益斜率从-2变为-1。假设此时交越频率Fco为开关频率的1/5，并确定这点的分贝数。在大多数情况下，输出电容含有ESR,Fesr低于交越频率Fco。因此，在交越频率Fco处，增益曲线Gt=(G1c+GPWM+GS)的斜率为-1。当增益用对数坐标(分贝)来表示时，各串联环节的增益和增益斜率是相加的。因此，要使交越频率为开关频率的1/5，应使得误差放大器在Fco的增益等于此频率处增益Gt=(G1c+GPWM+GS)的相反数(代数上，两者是倒数关系)。将交越频率Fco设计在期望的频率点后，如果误差放大器在Fco的增益斜率是水平的，那么由于增益Gt的曲线在Fco处的斜率已经为-1，因此，误差放大器曲线斜率加上增益Gt曲线斜率之和后，在交越频率Fco处的斜率仍为-1，即同时满足了系统稳定的第二个准则。第二十六张，PPT共一百页，创作于2022年6月 在Fco处，误差放大器的增益等于Gt的相反数，同时斜率为0(图12.6)。这时的增益特性，可以用图12.7(a)所示的具有一个输入电阻和一个反馈电阻的运算放大器实现，此类运算放大器的增益为Gea=Z2/Z1=R2/R1。但是，该如何确定此恒定增益的频率范围呢(左、右边界，即斜率变化的频率点)?系统总开环增益等于误差放大器增益与增益Gt的和。如果误差放大器的增益从直流(频率为零)开始始终保持恒定，那么在频率为120Hz(美国交流电网整流后的纹波频率)处的系统开环增益将不会太大。但是一般希望在输出端，电网纹波(120Hz)能够衰减到非常低的水平。为使频率120Hz的纹波衰减到足够小，在此频率处的开环增益应当尽可能的大。因此，从交越频率Fco左端的某一频率开始，误差放大器的增益应迅速增加。图12.7(a)带反馈电阻R2和输入电阻R1的误差放大器，其增益在运放的开环增益开始下降前与频率无关，大小恒等于R2/Rl。(b)采用带电容的反馈网络来调整增益和相位曲线。这种结构的误差放大器，其增益-频率曲线如图12.6所示 第二十七张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.7(a)带反馈电阻R2和输入电阻R1的误差放大器，其增益在运放的开环增益开始下降前与频率无关，大小恒等于R2/Rl。(b)采用带电容的反馈网络来调整增益和相位曲线。这种结构的误差放大器，其增益-频率曲线如图12.6所示 这可以由将电容C1与电阻R2串联来实现(图12.7(b)。此时，暂时忽略C2的影响，可得到如图12.6所示的低频段增益特性。在C1的阻抗小于R2的频率范围内，增益曲线是水平的，大小等于R2/R1。在频率较低时，C2的阻抗远大于R2，故电阻R2可忽略，增益大小为Xc1/R1。增益在此时的斜率为-20dB/dec，在频率120Hz处可获得较大的增益。在频率Fz=1/(2R2C1)处，斜率由-1转为水平。第二十八张，PPT共一百页，创作于2022年6月图12.7(a)带反馈电阻R2和输入电阻R1的误差放大器，其增益在运放的开环增益开始下降前与频率无关，大小恒等于R2/Rl。(b)采用带电容的反馈网络来调整增益和相位曲线。这种结构的误差放大器，其增益-频率曲线如图12.6所示 如果误差放大器增益曲线在Fco的右端仍保持水平(图12.6)，那么总的开环增益在高频处仍然比较高。但是，在高频段并不希望有很高的增益，因为这样会使高频噪声干扰经过反馈后在系统中被放大，并传递到输出端。因此在高频范围内，增益应当降低。在R2、C1串联支路并联地放置电容C2(图12.7(b)可以使高频增益下降。在Fco处，Xc1与R2相比已经很小，C1在电路中不起作用。在较高频率范围内，Xc2相比R2小很多，R2在电路中不起作用，因此增益为Xc2/R1。从图12.6看出，从频率Fco到频率Fp(=1/2R2C2)段，增益特性是水平的，在频率Fp处，增益斜率变为-1。在高频范围内较低的增益可以防止高频噪声尖峰传递到输出端。第二十九张，PPT共一百页，创作于2022年6月 选择转折频率Fz和Fp，使它们满足Fco/Fz=Fp/Fco。Fp与Fz离得越远，在交越频率Fco处的相位裕量越大。大的相位裕量是设计中所期望的，但是如果Fz选得太低，在120Hz处的低频增益将会不足(图12.8)。这样，对120Hz纹波的衰减效果将会很差。如果Fp选得太高，高频增益将会过高，高频噪声尖峰将被放大。因此，必须在两者之间折中。为了更好地理解这一折中设计和更精确的计算，下面将介绍传递函数、极点和零点的概念 图12.8转折频率Fz和Fp的设置。Fz和Fp相距越远，相位裕量就越大。这样会使低频增益减小，削弱低频纹波的衰减效果。同样高频增益增大，就会放大高频噪声尖峰。如果Fz在Fz2而不在Fz1，则在低频F1的增益是G1而不是G2；如果Fp在Fp2而不在Fp1，则在高频Fh的增益是G1而不是G2第三十张，PPT共一百页，创作于2022年6月误差放大器的传递函数、极点和零点误差放大器的传递函数、极点和零点 图12.9所示的误差运算放大器电路，在输入端有一个复阻抗Z1，在反馈端有一个复阻抗Z2，增益为-Z2/Z1。如果Z1是纯电阻R1，且Z2是纯电阻R2，如图12.7(a)所示，则增益是-R2/R1，且与频率无关。因为输入端是运放的反相端，所以Vo和Vin之间的相移是180度。将阻抗Z1和Z2用复变量s=j2f=j表示，则电容C1的阻抗是1/sC1，电阻R1和电容C1的串联阻抗是(R1+1/sC1)。那么，R1和C1串联后与电容C2并联得到的总阻抗为图12.9当输入阻抗和反馈阻抗支路由不同的RC电路构成时，可以得到不同的幅频特性和相频特性曲线。将阻抗Z1和Z2用S=j表示，经过一系列的数学运算，将会得到增益的简化式。由简化的增益表达式(传递函数)就可以绘制幅频特性和相频特性曲线。第三十一张，PPT共一百页，创作于2022年6月误差放大器的传递函数、极点和零点误差放大器的传递函数、极点和零点 将误差放大器的传递函数用复阻抗Z1和Z2的形式写出，即以复变量s表示，得到G(s)=-Z2(s)/Z1(s)。通过代数运算后，把G(s)表示G(s)=N(s)/D(s)的形式，然后将分子和分母进行因式分解，得到式中，z和p的值是RC乘积，对应着使各因子等于0的频率。令因子为0，可得到这些频率，即 或与z值相对应的频率称为零点频率，而与p值相对应的频率称为极点频率。在分母中总是存在一个没有加1的因子式(如上式中的sp0)，这点是很重要的极点频率Fpo=1/(2RoCo)，称为初始极点。图12.9当输入阻抗和反馈阻抗支路由不同的RC电路构成时，可以得到不同的幅频特性和相频特性曲线。将阻抗Z1和Z2用S=j表示，经过一系列的数学运算，将会得到增益的简化式。由简化的增益表达式(传递函数)就可以绘制幅频特性和相频特性曲线。第三十二张，PPT共一百页，创作于2022年6月零点、极点频率引起的增益斜率变化规则零点、极点频率引起的增益斜率变化规则 零点、极点就是误差放大器增益斜率的变化点。一个零点表示增益斜率将会+1。如果零点出现前增益斜率为0，那么它将使增益斜率变为+1(图12.10(a)。如果出现前原增益斜率为-1，那么增益斜率将变为0(图12.10(b)。若在原增益斜率是-1的同一个频率上有两个相同的零点(式(12.3)的分子中含有两个相同的RC乘积因式)时，那么第一个零点将使增益斜率变为0，在相同频率上的第二个零点将使增益斜率变为+1(图12.10(c)。第三十三张，PPT共一百页，创作于2022年6月零点、极点频率引起的增益斜率变化规则零点、极点频率引起的增益斜率变化规则 一个极点表示增益斜率为-1。如果极点出现在原增益斜率为0的增益曲线上，会使增益斜率变为-1(图12.10(d)。或者如果在原增益斜率为+1的同一频率处有两个相同的极点，那么第一个极点使斜率变为0，第二个极点使斜率变为-1(图12.10(e)。第三十四张，PPT共一百页，创作于2022年6月 初始极点和其他极点一样，表示的增益斜率为-1。它也表示在该频率点的增益为1或0dB。因此，可按如下方法从初始极点开始绘制误差放大器的增益曲线。首先，从初始极点频率Fpo=1/(2RoCo)开始(在频率Fpo处的增益为0dB)，向低频方向(左侧)绘制一条斜率为-1的直线(图12.11)。如果传递函数在这条直线上的某一位置有零点Fz=1/(2R1C1)，使Fz之后的增益斜率变为0，那么从零点开始绘制一条向右延伸的水平直线。如果传递函数在更高的频率Fp=1/(2R2C3)处有极点，则在Fp后水平线的斜率变为-1(图12.11)。传递函数水平部分的增益是R2/R1，用分贝表示时，等于交越频率Fco处增益对数值Gt的相反数(图12.6)。因此，对于含有一个初始极点，之后有一个零点，接着有另一个极点的误差放大器，其增益曲线的形状如图12.11所示，其实现电路如图12.7(b)所示。剩下的问题仅仅是选择零点、极点频率的位置，以获得所需要的相位裕量。第三十五张，PPT共一百页，创作于2022年6月只含单零点和单极点的误差放大器传递函数的推导只含单零点和单极点的误差放大器传递函数的推导 如图12.7(b)所示，电路含有一个零点、一个极点和一个初始极点。图12.7(b)中的误差放大器传递函数(忽略极性)为 引入复变量s=j有 整理可得通常C2C1,故(12.4)图12.7(b)中的误差放大器的传递函数表达式为式(12.4)，根据威纳波尔(Venable)的经典文章，此类放大器通常被称为2型放大器。2型误差放大器通常用于Gt曲线以-1斜率经过交越频率Fco，即输出滤波电容含有ESR的情况(图12.6)。第三十六张，PPT共一百页，创作于2022年6月 对图12.7(b)中电路的传递函数，可直接绘制它的增益特性曲线(图12.11)。式(12.4)说明，该电路在频率Fpo=1/(2R1(C1+C2)处有一个初始极点。因此，从初始极点频率的0dB点，向低频方向绘制一条-1斜率的直线。既然可以通过零点、极点频率绘制2型误差放大器传递函数的增益曲线，也同样可以通过选择R1、R2、C1、C2来得到需要的零点、极点位置，来获得所需要的相位余量。这将在下面说明。第三十七张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.7根据根据2型误差放大器的零点、极点位置计算相移型误差放大器的零点、极点位置计算相移 根据威纳波尔的方法，选定比值Fco/Fz=Fp/Fco=K。零点，比如说RC微分器(图12.2(b)，会使得相位超前。极点，比如说RC积分器(图12.2(a)，会使得相位滞后。由零点Fz引起频率F超前的相位是我们更关注的是，零点Fz引起的交越频率Fco的相位超前是（12.5）由极点Fp引起频率F滞后的相位是极点Fp引起的交越频率Fco的相位滞后是（12.6）在频率Fz处的零点引起相位超前，而在Fp处的极点引起相位滞后。因此Fco处系统的总相移为式(12.5)与式(12.6)之和。第三十八张，PPT共一百页，创作于2022年6月 零点和极点引起的相移要与误差放大器初始极点带来的低频相移相加，且误差放大器是反相器，其本身有180度的相位滞后。初始极点会引起90度的相移，可以理解为，电路在低频段是一个电阻输入、电容反馈的积分器，如图12.7(b)所示。在低频段，C1的阻抗远大于R2，因此，反馈支路仅仅是C1和C2相并联。因此，误差放大器反相输入引起的180度相位滞后，加上初始极点引起的相位滞后90度，总的相位滞后(包括零点引起的相位超前和极点引起的相位滞后)是(12.7)注意，总相移纯粹是相位滞后，因为当K值无穷大(零点和极点频率相隔很远)时，零点引起的相位超前为最大值90度，而极点引起的相位滞后趋于0度 第三十九张，PPT共一百页，创作于2022年6月 表12.1中给出了由式(12.7)计算得出的经过误差放大器后的总相位滞后。不同K(=Fco/Fz=Fp/Fco)值，对应的2型误差放大器的相位滞后 K延迟角度（由式（12.7）2233o3216o4208o5202o6198o10191o第四十张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.8 考虑考虑ESR时时LC滤波器的相移滤波器的相移总的开环相移等于误差放大器与输出LC滤波器的相移之和，而脉宽调制器对相移的影响很小，可以忽略不计。图12.3(b)中，当 ，且输出滤波电容不含ESR时，在1.2Fo频率处LC滤波器的相位滞后已有175度。图12.5(b)中，如果输出电容含有ESR，LC滤波器的相位滞后将有明显改变。在图中，增益斜率在ESR零点频率Fesr=1/(2ResrCo)处从-2转折为-1。前面提过，在Fesr处，Co的阻抗等于Resr。频率高于Fesr时，Co的阻抗变得比Resr小，电路变为LR电路，而不再是LC电路。而且，LC电路最大的相位滞后是180o，但LR电路最大的相位滞后只有90o。因此，ESR零点对LC滤波器的最大180o相移而言是起了相位超前的作用。Fesro处的ESR零点使频率F的相位滞后等于 第四十一张，PPT共一百页，创作于2022年6月而我们感兴趣的是，Fsero处的零点使交越频率Fco处的相位滞后为 12.8 考虑考虑ESR时时LC滤波器的相移滤波器的相移（12.8）不同的Fco/Fesro值下，具有ESR零点的LC滤波器的相位滞后列于表12.2中(由公式12.8算得)。通过使误差放大器增益曲线(图12.6)水平部分的增益大小等于Gt(图12.6)在Fco处增益的相反数，可以保证交越频率Fco位于合适的位置。因为Fco位于增益Gt曲线的-1斜率段，所以开环增益曲线会以-1斜率交越点Fco。根据表12.1和表12.2，选择恰当的K值(零点和极点的位置)会得到所需的相位裕量。第四十二张，PPT共一百页，创作于2022年6月表12.2 Fesro处零点在Fco处引起的相位滞后Fco/FesroPhase lagFco/FesroPhase lag0.25166o2.5112o0.50153o3108o0.75143o4104o1.0135o5101o1.2130o699.5o1.4126o798.1o1.6122o897.1o1.8119o996.3o2.0116o1095.7o第四十三张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 为参数如下的正激变换器设计反馈环路使电路稳定 Io(nom)10AIo最小值 1A开关频率 100kHz最小输出纹波(峰峰值)50mV图12.12正激变换器反环路设计原理图 假设输出滤波电容的ESR很大，同时Fco位于LC滤波器的增益曲线斜率为-1处。因此，用2型误差放大器(增益特性图12.6所示)是合适的。电路如图12.12所示。第四十四张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 首先，计算Lo和Co，同时画出输出滤波器的增益特性曲线。有 并有其中，dI等于最小输出电流的两倍=21=2A，输出纹波电压Vor=0.05V，可得 输出LC滤波器的转折频率为 ESR零点频率为 这里假设对大多数铝电解电容器而言，ResrCo为一常数，且等于6510-6。第四十五张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 由式(12.1)可知，调制器增益Gm=0.5(Vsp-1)/3。当占空比为0.5且Vo=5V,Vsp=11V时，由Vo=(Vsp-1)Ton/T，可得Gm=0.5(11-1)/3=1.67=+4.5dB。对于常用的SC1524型PWM芯片，误差放大器的输入参考电压为2.5 V。若Vo=5V，有Rs1=Rs2，则采样网络的增益是Gs=-6dB。因此GmGs=+4.5-6=1.5dB。除误差放大器以外所有环节的总开环增益是Gt=(G1c+GPWM+Gs)，如图12.13所示的曲线段ABCD。从A点到转折频率806Hz(B点)，增益等于Gm+Gs=-1.5dB。在B点，曲线的斜率变为-2。直到 2500Hz(C点)的ESR零点时，曲线的斜率才变为-1。第四十六张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 交越频率选为开关频率的1/5，即20kHz。如Gt曲线所示，20kHz处的增益是-40dB(即代数增益为1/100)。要使交越频率等于20kHz，误差放大器在20kHz时的增益应等于+40dB。误差放大器增益加上ABCD段曲线的开环增益后的总开环增益必须以-1斜率穿过交越频率点M，因为曲线段ABCD在Fco=20KHz处的斜率已经是-1，所以误差放大器增益曲线EFGH从F点到G点的曲线斜率必须为0。2型误差放大器增益曲线的水平部分(F点到G点)的增益是R2/R1，如果R1取为1K,那么R2应选100K。第四十七张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 在Fz处设置一个零点来增加低频增益，并以此衰减120Hz的电网纹波。在G点设置一个极点来减小高频增益，从而减小输出端的高频噪声尖峰。零点和极点的设置要能提共所期望的相位裕量。假设相位裕量等于45度，那么在20kHz交越频率时，系统的总相移等于360度-45度=315度。LC滤波器自身带来的相位滞后由式(12.7)给出。从式中可以看出，当Fco=20KHz和Fesro=2500Hz时，相位滞后是97度(表12.2)。因此，误差放大器只允许有315度-97度=218度的相位滞后。见表12.1，当K值略小于3时，误差放大器的相位滞后可以满足218度的要求。第四十八张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性 为保证更充足的相位裕量，假设K值为4，那么相位滞后为208度，再加上LC滤波器带来的97度相位滞后，得到305度的总开环相位滞后，那么在交越频率Fco处的相位裕量为360度-305度=55度。当K等于4时，零点频率为Fz=20/4=5KHz。由式(12.3)得知，Fz=1/(2R2C1)，由于R2前面已经确定为，因此 第四十九张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.9设计实例设计实例含有含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性，因此 此外，当K值等于4时，极点频率为Fpo=204=80KHz。由式(12.3)可得，Fpo=1/(2R2C2)。由于R2=100K，Fpo=204=80KHz，所以 这样整个设计就完成了，最终的总开环增益曲线为图12.13所示的IJKLMNO曲线段，即曲线段ABCD与EFGH之和。第五十张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.10 3型误差放大器的应用及其传递函数型误差放大器的应用及其传递函数 输出电压纹波Vor=RodI。其中，Ro为输出滤波电容Co的ESR，dI等于最小直流电流的两倍。大多数铝电解电容都含有ESR，许多电容制造商的产品目录表明，此类电容的RoCo为一常数，平均等于6510-6。因此，使用常规的铝电解电容时，减小输出纹波的唯一途径是减小Ro，这可以通过增大Co来实现。然而，这会增大电容器的尺寸，所以这一方法有时难以采纳。在过去的几年里，电容器的制造商已经能够(以相当大的成本)生产出零ESR的铝电解电容，以满足那些输出纹波必须非常小的应用场合。使用这种零ESR电容的电路对设计误差放大器反馈回路会有很大的影响。当输出滤波电容含有ESR时，交越频率Fco通常位于输出滤波器的增益曲线斜率为-1的部分。这就需要使用2型误差放大器，因为其增益特性曲线在Fco点具有水平斜率(图12.6)。第五十一张，PPT共一百页，创作于2022年6月 对于零ESR电容，LC滤波器的增益特性曲线在转折频率 后，一直以-2斜率下降(图12.14中的曲线段ABCD)。在期望的Fco点处，误差放大器的增益仍然要等于LC输出滤波器在Fco处增益的相反数。但是，为了使系统的开环增益曲线能够以-1斜率穿过Fco点，误差放大器的增益曲线在频率Fco的斜率必须为+1(图12.14中的曲线段EFGH)。12.10 3型误差放大器的应用及其传递函数型误差放大器的应用及其传递函数 图12.14当输出电容没有ESR时，其增益曲线一直以-2斜率下降。为了使系统的总开环增益曲线以-1斜率穿过Fco，要求误差放大器增益曲线在Fco处的斜率为+1。为了得到上述的误差放大器增益曲线，在Fz处需要有两个零点和在Fp处有两个极点。第五十二张，PPT共一百页，创作于2022年6月12.10 3型误差放大器的应用及其传递函数型误差放大器的应用及其传递函数 图12.14当输出电容没有ESR时，其增益曲线一直以-2斜率下降。为了使系统的总开环增益曲线以-1斜率穿过Fco，要求误差放大器增益曲线在Fco处的斜率为+1。为了得到上述的误差放大器增益曲线，在Fz处需要有两个零点和在Fp处有两个极点。误差放大器在低频段需要有足够的增益，否则就不能有效