開(kāi)關(guān)電源環(huán)路學(xué)習筆記（3）-系統框圖

繼續學(xué)習，繼續看書(shū)，繼續動(dòng)腦子。

上期已經(jīng)說(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源滿(mǎn)足三個(gè)條件之后，可以看成是線(xiàn)性的了，那么這期就來(lái)看看開(kāi)關(guān)電源的系統框圖。

一個(gè)坑

我一開(kāi)始就掉進(jìn)一個(gè)坑：系統框圖的輸入量為什么不是Vi，而是參考電壓Vref？參考電壓不是固定的嗎？也能作為輸入？

反饋控制系統的輸入量

我有這個(gè)問(wèn)題，是因為我大學(xué)課表里面沒(méi)有《自動(dòng)控制原理》，如果學(xué)過(guò)的話(huà)應該就不會(huì )有這個(gè)問(wèn)題了。

開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)自動(dòng)控制系統，采取的是反饋控制的方式，是一個(gè)反饋控制系統。

下面這兩段話(huà)是教材《自動(dòng)控制原理》的，我挪過(guò)來(lái)直接用了。

1、反饋控制方式是按照偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差的時(shí)候，必定會(huì )產(chǎn)生一個(gè)相應的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。

2、加到反饋控制系統上的外作用有兩種類(lèi)型，一種是有用輸入，一種是擾動(dòng)。有用輸入決定系統被控量的變化規律，如輸入量；而擾動(dòng)是系統不希望有的外作用，它破壞有用輸入對系統的控制。

仔細想想，對于我們的buck電源來(lái)說(shuō)，我們的目的并不是說(shuō)輸出Vo要隨電源Vi的不同而不同，而是不論輸入Vi是多少，都只有一個(gè)目的，那就是Vo恒定。

比如我們的5V轉3.3V的BUCK，是有反饋的，不管是因為什么變化，只要輸出電壓Vo偏離了3.3V，那么反饋Vfb與期望值Vref就會(huì )有偏差，然后系統就會(huì )根據這個(gè)偏差調節開(kāi)關(guān)電源的占空比，讓Vfb朝著(zhù)期望值Vref變化，最終的結果就是保證了輸出還是3.3V?？傊?，目的就是保證Vo時(shí)刻為3.3V。

總之，穩定狀態(tài)下，輸出是不變的，或者說(shuō)系統時(shí)刻自動(dòng)調節，向設定的輸出值而努力著(zhù)。

可以想到，輸出量不變的原因，就是因為始終有一個(gè)不變的輸入量，這個(gè)輸入量就是Vref，它就是反饋控制系統的有用輸入。

那輸入電壓Vi是什么呢？

Vi我覺(jué)得可以理解為系統工作的條件，一個(gè)恒定不變的Vi輸入電壓，與系統的穩定工作時(shí)所處的狀態(tài)是有關(guān)系的。比如同一個(gè)3.3V輸出的BUCK電路，5V輸入和10V輸入，盡管都能輸出3.3V，也都是穩定工作的，但是所處狀態(tài)不同，占空比不一樣，傳遞函數也不同。

如果要類(lèi)比的話(huà)，我覺(jué)得這個(gè)直流輸入Vi可以看作是靜態(tài)工作點(diǎn)。兄弟們可以體會(huì )下，靜態(tài)工作點(diǎn)是三極管的工作條件，然后輸入一般認為是交流小信號，三極管放大電路對應的放大倍數一般也是針對交流小信號說(shuō)的。

另外一方面，現實(shí)中buck的Vi也會(huì )有噪聲，這些噪聲可以理解為擾動(dòng)輸入，對應三極管電路的小信號。

當然，開(kāi)關(guān)電源的擾動(dòng)可以有很多，常見(jiàn)的有Vi的電壓波動(dòng)，還有負載電流的突然變化，它們也是現實(shí)電路中存在的。另外還有溫度上升下降，導致器件參數發(fā)生變化，外部輻射干擾等等。這些都可能會(huì )干擾系統運行。

經(jīng)過(guò)上面的分析，我們可以根據結構示意圖畫(huà)出系統的框圖如下：

當然，如果vi作為輸入信號已經(jīng)在腦子里面根深蒂固了也沒(méi)關(guān)系。

我們就這么看，當輸入Vi突然發(fā)生變化，那么它必然會(huì )影響到Vo，Vo發(fā)生變化，那么Vref與反饋就有了差值，差值再通過(guò)補償電路得到誤差信號，誤差信號又去改變PWM占空比，進(jìn)而調節開(kāi)關(guān)變換器，讓Vo朝著(zhù)目標值改變。

同樣的，如果負載電流突然發(fā)生變化，也會(huì )直接影響到Vo，同樣也是一級一級過(guò)來(lái)，系統會(huì )調節Vo朝著(zhù)目標值改變。

仔細想想，這里面最關(guān)鍵的是不是下面這么一個(gè)環(huán)？

如這個(gè)環(huán)夠牛逼，不管輸入到系統的干擾有多強，輸入電壓怎么波動(dòng)，負載電流怎么變，都能馬上準確無(wú)誤的調整出Vo為預設值，那這個(gè)系統就是鐵打的，金剛不壞。

但實(shí)際上，這顯然是不可能的，信號要一級一級的傳遞，總會(huì )有延遲。

比如剛開(kāi)始時(shí)，如果Vi增大，那么Vo也增大，系統會(huì )往Vo減小的方向調整，但是因為調整需要時(shí)間，如果還沒(méi)調整完，Vi又減小了，系統又需要往反方向調整。這樣就有可能造成你需要我大時(shí)我減小，你需要我小時(shí)我又增大了，永遠都跟不上節奏，更甚者系統可能就崩了。

從上面一段話(huà)，我們應該可以看出2層意思：

1、系統的響應速度：有干擾信號進(jìn)入系統時(shí)，系統調整需要時(shí)間，也就是有延遲，如果調整時(shí)間太長(cháng)，那么響應速度必然就慢。

2、系統的穩定性：系統不管怎么樣，都不能崩了，導致振蕩Vo不能穩定吧

要準確的判斷一個(gè)系統怎么樣，肯定不能僅僅就靠這些文字描述，定性分析下完事，我們肯定要定量分析，那么就要拿出我們之前說(shuō)的傳遞函數了。

系統框圖

我們去掉干擾輸入信號，只看最關(guān)鍵的環(huán)的框圖，然后評估這個(gè)環(huán)的性能就可以了。

最終畫(huà)出系統框圖如下：

可以看到，框圖的符合我又有了調整，都帶上了△符號，表示小信號，意思相對于穩態(tài)時(shí)的變化量。

之所這樣，是因為系統要線(xiàn)性化，必須有一個(gè)條件，那就是小信號假設，如果不明白，可以看上一期內容《開(kāi)關(guān)電源環(huán)路學(xué)習筆記（2）-線(xiàn)性條件》

另外可能有2個(gè)問(wèn)題：

1、Vref不是恒定的嗎？怎么還會(huì )有波動(dòng)量△Vref呢？

2、干擾信號怎么沒(méi)了，扔掉了？

我是這么看的，干擾信號太多了，我們不可能列出所有的。

但是確認一點(diǎn)就是，任何干擾信號輸入，作用在系統上的結果都是讓Vo發(fā)生了變化，Vo經(jīng)過(guò)反饋級和Vref做比較，得到誤差信號△Ve，然后系統根據這個(gè)誤差信號去做調整。

另一方面，誤差△Ve，它是Vref和Vo經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò )之后的信號相減得到的。

原本的系統Vref是不變的，干擾有輸入?，F在假定沒(méi)有干擾，而Vref有變動(dòng)的信號△Vref，效果應該是一樣的。反正它們都是相減的關(guān)系。

意思大致如下圖：

不知道對不對，極可能是胡說(shuō)八道，請自行判斷。。。

框圖簡(jiǎn)化

系統框圖已經(jīng)有了，那如何分析呢？我們先把框圖簡(jiǎn)化一下，這樣會(huì )比較簡(jiǎn)單明了。

簡(jiǎn)化其實(shí)就是將放大和補償級，PWM調制級，開(kāi)光變換器這三級合并，它們會(huì )是相乘的關(guān)系，合并過(guò)程如下圖。

三級合并之后取個(gè)新名字，叫增益級G(s)。

簡(jiǎn)化后的框圖

簡(jiǎn)化后的框圖非常的清晰明了，我們可以分別寫(xiě)出閉環(huán)傳遞函數和開(kāi)環(huán)傳遞函數。

按道理來(lái)說(shuō)，判斷系統穩不穩定，只需要分析閉環(huán)傳遞函數就可以了，顯然，傳遞函數分母為0的時(shí)候，意味著(zhù)只要有一點(diǎn)點(diǎn)輸入信號，那么輸出信號就是無(wú)窮大的，即不穩定。

但是如果有一定經(jīng)驗的話(huà)，就會(huì )知道，我們通常畫(huà)的波特圖并不是閉環(huán)傳遞函數C(s)，而是開(kāi)環(huán)傳遞函數T(s)，這是為什么呢？

這是因為我們畫(huà)的波特圖通常是對數坐標，而開(kāi)環(huán)傳遞函數的表達式就是各級相乘的關(guān)系，幅度取對數之后變成相加的關(guān)系，同時(shí)相位也是相加的關(guān)系。

這對于分析問(wèn)題來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直不要太方便，我們可以單獨分析各級的傳遞函數，就可以知道它們對整個(gè)系統所起的作用了。

而閉環(huán)傳遞函數取對數之后是這個(gè)：log(C(s))=log(G(s)/(1+T(s)))，各級之間區分不開(kāi)，難以分析。

以上內容純屬個(gè)人看法，無(wú)法保證準確性，建議兄弟們持懷疑的態(tài)度去看。如果發(fā)現問(wèn)題也請留言指出來(lái)，大家一起進(jìn)步。