开关电源控制环路设计

本书共分九章，系统阐述了开关电源的控制环路设计和稳定性分析。第1~3章介绍了环路控制的基础知识，包括传递函数、零极点、稳定性判据、穿越频率、相位裕度、增益裕度以及动态性能等；第4章介绍了多种补偿环节的设计方法；第5~7章分别介绍了基于运放、跨导型运放以及TL431的补偿电路设计方法，将理论知识与实际应用密切关联；第8章介绍了基于分流调节器的补偿器设计；第9章介绍了传递函数、补偿环节与控制环路伯德图的测试原理和方法。本书将电源环路控制的知识点进行了系统的汇总和归纳，实用性强，是一本非常的电源控制环路设计的著作。本书适合电源工程师、初步具备电力电子技术或者开关电源基础的读者，可以较为系统地了解开关电源控制环路设计的理论知识、分析方法、工程实践设计以及测试分析等，在工程实践的基础上，大大提高理论分析水平和设计能力。本书也可作为电力电子与电力传动相关学科研究生的教学参考用书。

Christophe Basso是法国图卢兹安森美半导体产品总监。他发明了许多集成电路，其中NCP120X系列产品为低功耗变换器设定了新的标准。SPICE仿真是他最喜欢的主题之一，他提倡将SPICE作为设计辅助工具，当和基于方程式的方法关联起来时，将有助于理解复杂电路是如何运作的。这项技术得到了世界各地众多客户的赞赏和认可。在过去的15年中，设计新的集成电路，同时帮助和辅导设计工程师，也是他在AC-DC功率变换领域的专业工作的一个部分。Christophe拥有法国蒙彼利埃大学学士学位，法国图卢兹国立理工学院硕士学位。他拥有22项电能变换专利，经常在会议和行业杂志上发表论文。他在IEEE APEC会议上开设专题研讨会，同时他还是IEEE高级会员。

译者序
原书序
前言
致谢
本书所用的变量和缩略语
本书运算中的数字和前缀
第1章环路控制基础
1.1开环系统
1.1.1扰动
1.2控制的必要性——闭环系统
1.3时间常数的概念
1.3.1时间常数的应用
1.3.2比例环节
1.3.3微分环节
1.3.4积分环节
1.3.5比例-积分-微分环节
1.4反馈控制系统的性能
1.4.1暂态或稳态
1.4.2阶跃信号
1.4.3正弦信号
1.4.4伯德图
1.5传递函数
1.5.1拉普拉斯变换
1.5.2激励和响应信号
1.5.3一个简单的范例
1.5.4组合传递函数的伯德图
1.6总结
精选参考书目
第2章传递函数
2.1传递函数的表示
2.1.1正确书写传递函数
2.1.20dB穿越极点
2.2根的求解
2.2.1观察法找极点和零点
2.2.2极点、零点和时间常数
2.3动态响应和根
2.3.1根的变化
2.4s平面和动态响应
2.4.1复平面上的根轨迹
2.5右半平面的零点
2.5.1一个两步转换过程
2.5.2电感电流斜率的限制
2.5.3使用平均模型来显示RHP零点效应
2.5.4Boost变换器的右半平面零点
2.6结论
参考文献
附录2A确定桥式输入阻抗
附录2B使用Mathcad绘制埃文斯轨迹
附录2C亥维赛展开公式
附录2D使用SPICE画出右半平面零点
第3章控制系统的稳定性判据
3.1建立一个振荡器
3.1.1工作原理
3.2稳定性判据
3.2.1增益裕度和条件稳定
3.2.2最小和非最小相位系统
3.2.3奈奎斯特图
3.2.4从奈奎斯特图中提取基本信息
3.2.5模值裕度
3.3动态（暂态）响应、品质因数和相位裕度
3.3.1二阶RLC电路
3.3.2二阶系统的瞬态响应
3.3.3相位裕度和品质因数
3.3.4开环系统相位裕度测量
3.3.5开关变换器的相位裕度
3.3.6变换器的控制延时
3.3.7拉普拉斯域中的延时
3.3.8延时裕度与相位裕度
3.4选取穿越频率
3.4.1简化的Buck电路
3.4.2闭环下的输出阻抗
3.4.3穿越频率处的闭环输出阻抗
3.4.4缩放参考值以获得所需要的输出
3.4.5进一步提高穿越频率
3.5总结
参考文献
第4章补偿
4.1PID补偿
4.1.1拉普拉斯域的PID表达式
4.1.2PID补偿器的实际实现
4.1.3PI补偿器的实际实现
4.1.4PID在Buck变换器中的应用
4.1.5具有PID补偿的Buck变换器瞬态响应
4.1.6设定值固定：调节器
4.1.7具有谐振峰的输出阻抗响应曲线
4.2基于零极点配置补偿变换器
4.2.1简易参数设计步骤
4.2.2被控对象传递函数
4.2.3积分环节消除静态误差
4.2.4积分调节器：1型补偿器
4.2.5穿越频率处相位补偿
4.2.6配置极点和零点进行相位补偿
4.2.7用一对零/极点实现90°相位提升
4.2.8用一对零/极点调整中频段增益：2型补偿器
4.2.92型补偿器的设计实例
4.2.10使用双重零/极点对实现180°的相位提升
4.2.11使用双重零/极点调整中频段增益：3型补偿器
4.2.123型补偿器的设计实例
4.2.13选择合适的补偿器类型
4.2.14用于Buck变换器的3型补偿器
4.3输出阻抗整形
4.3.1使输出阻抗呈阻性
4.4结论
参考文献
附录4A利用快速分析技术得到Buck变换器的输出阻抗
附录4B根据伯德图的群延时计算品质因数
附录4C利用仿真或者数学求解器来获得相位
附录4D开环增益和原点处极点对基于运算放大器的传递函数的影响
附录4E补偿器结构小结
第5章基于运算放大器的补偿器
5.11型补偿器（原点极点补偿）
5.1.1设计实例
5.22型补偿器：一个原点处极点，以及一个零极点对
5.2.1设计实例
5.32a型补偿器：原点处极点和一个零点
5.3.1设计实例
5.42b型补偿器：静态增益和一个极点
5.4.1设计实例
5.52型补偿器：基于光电耦合器隔离的结构形式
5.5.1光电耦合器与运算放大器直接连接，光电耦合器采用共发射极接法
5.5.2设计实例
5.5.3光电耦合器与运算放大器直接连接，光电耦合器采用共集电极接法
5.5.4光电耦合器与运算放大器直接连接，共发射极接法和UC384X连接
5.5.5光电耦合器与运算放大器采用有快速通道的下拉接法
5.5.6设计实例
5.5.7光电耦合器与运算放大器采用有快速通道的下拉接法，共发射极接法和UC384X
5.5.8光电耦合器与运算放大器采用无快速通道的下拉接法
5.5.9设计实例
5.5.10光电耦合器与运算放大器在CC-CV双环控制中的应用
5.5.11设计实例
5.62型补偿器：极点和零点重合，简化成隔离型1型补偿器
5.6.1设计实例
5.72型补偿器：略有不同的结构形式
5.83型补偿器：原点处极点和两个零/极点对
5.8.1设计实例
5.93型补偿器：基于光电耦合器隔离的结构形式
5.9.1光电耦合器与运算放大器直接连接，光电耦合器采用共集电极接法
5.9.2设计实例
5.9.3光电耦合器与运算直接连接，光电耦合器采用共发射极接法
5.9.4光电耦合器与运算放大器直接连接，共发射极接法和UC384X连接
5.9.5光电耦合器与运算放大器采用有快速通道的下拉接法
5.9.6设计实例
5.9.7光电耦合器与运算放大器采用无快速通道的下拉接法
5.9.8设计实例
5.10结论
参考文献
附录5A图片汇总
附录5B使用k因子自动计算元件参数
附录5C光电耦合器
第6章基于跨导型运算放大器的补偿器
6.11型补偿器：原点处极点
6.1.1设计实例
6.22型补偿器：原点处极点与一个零极点对
6.2.1设计实例
6.3光电耦合器与OTA：一种缓冲的连接方式
6.3.1设计实例
6.43型补偿器：原点处极点与两个零极点对
6.4.1设计实例
6.5结论
附录6A图片汇总
第7章基于TL431的补偿器
7.1集成内部基准的TL431工作原理
7.1.1参考电压
7.1.2偏置电流
7.2TL431的偏置对增益的影响
7.3另一种TL431的偏置方式
7.4TL431的偏置：取值限制
7.5快速通道
7.6禁用快速通道
7.71型补偿：一个原点处极点，共发射极连接
7.7.1设计实例
7.81型补偿：共集电极配置
7.92型补偿：一个原点处的极点以及一个零/极点对
7.9.1设计实例
7.102型补偿器：共发射极结构与UC384X配合
7.112型补偿器：共集电极结构与UC384X配合
7.122型补偿器：禁用快速通道
7.12.1设计实例
7.133型补偿器：原点处极点和两个零/极点对
7.13.1设计实例
7.143型补偿器：原点处极点和两个零/极点对，无快速通道
7.14.1设计实例
7.15交流小信号响应的测试
7.16基于稳压管的隔离型补偿器
7.16.1设计实例
7.17基于稳压管的非隔离型补偿器
7.18基于稳压管的非隔离型补偿器：低成本实现方法
7.19总结
参考文献
附录7A图片汇总
附录7B第二级LC滤波器
第8章基于分流调节器的补偿器
8.12型补偿：一个原点处极点加一个零/极点对
8.1.1设计实例
8.23型补偿：一个原点处极点加两个零/极点对
8.2.1设计实例
8.33型补偿：一个原点处极点加两个零点/极点对——无快速通道
8.3.1设计实例
8.4基于稳压管的隔离型补偿器
8.4.1设计实例
8.5结论
参考文献
附录8A图片汇总
第9章系统测量与设计实例
9.1测量控制系统的传递函数
9.1.1有偏置点损耗的开环方法
9.1.2无偏置点损耗的功率级传递函数
9.1.3系统仅在交流输入下处于开环状态
9.1.4注入点处的电压变化
9.1.5注入点处的阻抗
9.1.6缓冲
9.2设计实例1：正激直流-直流变换器
9.2.1参数变迁
9.2.2电气原理图
9.2.3提取功率电路传递函数的交流响应
9.2.4变换器的补偿器设计
9.3设计实例2：线性稳压器
9.3.1获取功率电路的传递函数
9.3.2穿越频率的选择和补偿器的设计
9.3.3瞬态响应测量
9.4设计实例3：CCM电压模式升压变换器
9.4.1功率电路传递函数
9.4.2变换器的补偿器设计
9.4.3绘制环路增益的伯德图
9.5设计实例4：原边调节的反激式变换器
9.5.1传递函数推导
9.5.2验证等式
9.5.3稳定变换器
9.6设计实例5：输入滤波器补偿
9.6.1负增量阻抗（负输入阻抗）
9.6.2建立振荡器
9.6.3振荡抑制
9.7结论
参考文献
后记