电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路及其设计方法，包括运算放大器

【技术实现步骤摘要】
电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路及其设计方法


[0001]本专利技术属于电源电路硬件补偿
，具体涉及一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路及其设计方法
。

技术介绍

[0002]电源电路包括线性电源
、
开关电源和可调电源等，在生活中有着广泛的应用，常见的应用有手机
、
电脑
、
音响等电子产品，无线电和通信基站等通信设备以及服务器电源和工业自动化系统等，几乎涵盖了所有需要电力供应的设备和系统
。
然而多数开关电源电路的数学模型属于非线性系统，还有少数属于非最小相位系统，这些电路存在右半平面零极点和共轭复根双极点
。
以
R、L、C
组成二阶震荡电路广泛存在于各类电源电路中
。
二阶震荡电路中，当阻尼比大于1时，双极点均为负实根，电路不存在震荡，当阻尼比大于0小于1时，为共轭复根双极点，会在由电感电容引起的谐振频率处有较高增益，同时会瞬间将谐振频率以上的相位拉低
180
°
，引起电路震荡，降低系统相位裕度，甚至造成系统的不稳定
。
当阻尼比等于0时，双极点为纯虚部共轭复根，此时震荡幅度最大，系统不稳定
。
因此为了消除这种影响，需要设计相应的控制环路补偿，以满足规定的相位裕度和幅值裕度，使系统稳定下来
。
[0003]实际应用中，电源电路的控制可区分为软件数字控制和硬件模拟控制，数字控制便于参数调整，参数修改方便，灵活性强，但由于需要进行大量运算，所以调节速度较慢
。
模拟控制是由运放和电阻电容组成的控制环路，可靠性和快速性要高于数字，但灵活性较差，且参数计算较为复杂
。
针对不同的应用，可选择不同的控制方式，但其控制思想是相同的
。
诸如服务器电源类的开关电源等电源电路在生活生产中应用广泛，需较高的可靠性和快速性
。
[0004]传统的
boost
电路控制方法大多集中在
PID
控制，尽管有些学者加了模糊控制
、
扰动观察和斜坡补偿等方法，但其核心仍在
PID
控制算法上
。
[0005]PID
硬件补偿电路结构如图1所示
。
[0006]根据运算放大器的电路特性可得，
PID
硬件补偿电路的传递函数为
[0007][0008]PID
控制算法确实可以满足幅值裕度和相位裕度的要求，使
boost
电路闭环稳定运行，但由可得，硬件
PID
补偿电路提供了一个原点处极点和
S
域左边平面负实轴的双零点，只能补偿谐振频率前后的增益及相位，无法补偿谐振频率处的尖峰及双极点带来的
‑
180
°
相位骤降
。
如图2所示，实线曲线代表
PID
调节器补偿前
Boost
电路的典型幅频曲线，点线曲线代表补偿后的典型幅频曲线，图3则分别代表补偿前
(
实线曲线
)
和补偿后
(
点线曲线
)
的典型相频曲线
。
图2‑3中可以看出，虽然
PID
补偿后的
boost
电路满足稳定裕度的要求，但
PID
的负实根双零点只补偿了谐振频率附近的幅值和相位，谐振频率处仍存在尖峰和相位骤降，且补偿后的穿越频率只能大于谐振频率，若穿越频率小于谐振频率，则幅频特性中的谐振尖峰可能会使幅频曲线多次穿越
0db
线，造成系统的不稳定，同时
PID
补偿后的
boost
电路极
点数和零点数相同，对开关频率等高频成分的滤除效果有限，因此传统的
PID
硬件补偿结构对于共轭复根双极点的补偿存在局限性
。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路及其设计方法，解决了电源电路中共轭复根双极点在谐振频率处带来的谐振尖峰和相位骤降导致的系统稳定裕度不足的问题，提升了电源电路的稳定性和快速性
。
[0010]本专利技术采用的技术方案是：一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路，包括运算放大器
、
第一电阻
、
第二电阻
、
第三电阻
、
第一电容
、
第二电容和第三电容；电源电路的输出端经第一电阻与运算放大器的负极输入端电连接；运算放大器的正极输入端接参考电压；第二电阻的一端电连接于第一电阻和运算放大器的负极输入端之间，第二电阻的另一端经第三电阻和第三电容电连接于运算放大器的输出端；第一电容与第二电阻相并联；第二电容与相互串联的第三电阻和第三电容相并联；运算放大器的输出端与
PWM
生成器的输入端电连接；第一电阻
、
第二电阻
、
第三电阻
、
第一电容
、
第二电容和第三电容的阻容参数取值使补偿电路提供一对共轭复根双零点
、
一个原点处极点
、
一个中频极点和一个高频极点
。
[0011]上述技术方案中，该补偿电路的参数满足下式：
[0012][0013]其中，
r1
表示第一电阻的阻值，
r2
表示第二电阻的阻值，
r3
表示第三电阻的阻值，
c1
表示第一电容的电容值，
c2
表示第二电容的电容值，
c3
表示第三电容的电容值；
f
p1
、f
p2
其中任一个为中频极点频率，另一个为高频极点频率；
k
表示开环增益；
A
，
B
和
C
分别表示电源电路的传递函数极点求根式的系数
。
[0014]上述技术方案中，针对两个极点频率
f
p1
、f
p2
，其中任一个取值设置于电源电路的零点频率附近，另一个取值满足滤除高频成分的需求，两个极点频率
f
p1
、f
p2
的取值满足补偿电路的稳定裕度的要求并实现滤除高频成分的功能
。
[0015]上述技术方案中，开环增益
k
的取值根据补偿电路的穿越频率和低频直流增益的需求设定
。
[0016]上述技术方案中，还包括第四电容；第四电容与第一电阻相并联
。
[0017]上述技术方案中，该补偿电路的参数还满足下式：
[0018][0019]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路，其特征在于：包括运算放大器
、
第一电阻
、
第二电阻
、
第三电阻
、
第一电容
、
第二电容和第三电容；电源电路的输出端经第一电阻与运算放大器的负极输入端电连接；运算放大器的正极输入端接参考电压；第二电阻的一端电连接于第一电阻和运算放大器的负极输入端之间，第二电阻的另一端经第三电阻和第三电容电连接于运算放大器的输出端；第一电容与第二电阻相并联；第二电容与相互串联的第三电阻和第三电容相并联；运算放大器的输出端与
PWM
生成器的输入端电连接；第一电阻
、
第二电阻
、
第三电阻
、
第一电容
、
第二电容和第三电容的阻容参数取值使补偿电路提供一对共轭复根双零点
、
一个原点处极点
、
一个中频极点和一个高频极点
。2.
根据权利要求1所述的一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路，其特征在于：该补偿电路的参数满足下式：其中，
r1
表示第一电阻的阻值，
r2
表示第二电阻的阻值，
r3
表示第三电阻的阻值，
c1
表示第一电容的电容值，
c2
表示第二电容的电容值，
c3
表示第三电容的电容值；
f
p1
、f
p2
其中任一个为中频极点频率，另一个为高频极点频率；
k
表示开环增益；
A
，
B
和
C
分别表示电源电路的传递函数极点求根式的系数
。3.
根据权利要求2所述的一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路，其特征在于：针对两个极点频率
f
p1
、f
p2
，其中任一个取值设置于电源电路的零点频率附近，另一个取值满足滤除高频成分的需求，两个极点频率
f
p1
、f
p2
的取值满足补偿电路的稳定裕度的要求并实现滤除高频成分的功能
。4.
根据权利要求3所述的一种电源电路的共轭复根双极点硬件补偿电路，其特征在于：开环增益
k...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊松，雷永辉，周克亮，梅纯，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：