资讯详情

开关电源环路学习笔记(8)-如何快速看出零点和极点

不知不觉中,环路内容已经写了7节,主要是理论分析。让我们谈谈兄弟们非常关心的内容——零点和极点。

在前几节中,我们解释了传输函数的来源和推导过程。通过传输函数,我们可以绘制波特图,分析系统是否稳定。

但问题是,如果我们得到的波特图表明该系统不稳定,我们应该如何调整它?应该修改哪些设备?或者一个原本稳定的系统,但是如果我们想修改其中一个元件,它会导致系统不稳定吗?不是每次都修改一个设备,然后画一个传输函数,看看它看起来是什么样子。如果没有,我们会继续更改它吗?这种鸟枪法总是不好的。

鸟枪法不好,自然有更好的方法,就是找一些特殊点进行分析。这些特殊点,就是零点和极点,零点和极点可以帮助我们调整电路。

关于零点和极点,结合合我自己的经验,以下问题值得思考。

1、在传递函数中,让分母成为0频率点称为极点,因为分母是0,计算出来的值不是无限大吗?增益无限大?这也能出现吗?

2、总是看到增加一个电容器,增加一个极点,增加一个电阻,增加一个零点,这是怎么回事?为什么是这样?

3、如何直接看到具体电路的零极点?

让我们来看看上面的问题。

定义零点和极点

先来复习一下概念,什么是零点和极点,一般教材上面给出的定义大致是这样的:

极点

以上这个很好理解,很清楚,但是随之而来的是一个大坑。从数学公式的角度来看,这个定义没什么好说的,该怎么办?

但是一放进电路里,就尴尬了,H(s)物理意义不是输出除以输入吗?

这个极点并不意味着输出是一个无限的点,因为输出是无限的,那么系统肯定是不稳定的,所以我们常说的极点是什么?

比如下面是别人从网上写的零点和极点的物理意义。写的时候不傻吗?

那么如何理解我上面的问题呢?

结合实际情况,系统传递函数计算的根一般为负,而现实世界中没有负频率,负号直接去掉后似乎被称为极点。

例如,低通滤波器传输函数的极点如下:

假如R=1Khz,C=1uF,那么极点是s=-1000,但我们通常说极点是1000,原因似乎是自然界中没有负频率,所以我们要求s模型和频率w=|s|=1000,我们还是把这个求模后的值称为极点,没有重新命名。

取模后的极点代入原式子H(s)中,就不能够使H(s)当然,它不能是无限的,因为无限意味着系统不稳定。我们研究的电路系统通常是稳定的,所以极端基本上是负的,或者在复合平面的左半部分。

但是,我们所有系统的极端都是负的吗?都在左半平面吗?

我不这么认为,这让我想起了皮尔斯晶体振荡器,它输入为0,但它可以输出一个固定频率的信号,即晶体振荡器的输出。我想它应该在右半平面上有一个极端。因为晶体振荡不就是自己振荡吗?当然,我的猜测也可能是错误的。感兴趣的兄弟可以学习。

总之,对于具体的电路,我们常说的极点不再是严格定义的极点,而是取绝对值后相应信号的频率是正的,代入系统不再能使输出无限大。

说这么多极点,我们来看看零点。

零点

相对于极点一般都是负的,根据系统的不同,零点是有负的,也有正的,像boost,Buck-boost,Flyback有右半平面零点,即分子N(s)=0有正的根。

让我们先谈谈零点和极点定义的问题。一般来说,当我们解决零点和极点时,我们可以假设频率可以是正的或负的。

让我们来看看如何快速直接使用特定电路的零点和极点眼睛瞪出来。

如何快速找到系统的零极点?

目前,我找不到快速的功率级传输函数的方法,但我可以想出一些关于放大和补偿级传输函数的方法。

以下是三种常见的补偿方法

如何快速找到零极点?

事实上,这个想法很简单,我们列出了相应的传输函数,以上三种结构,传输函数不是放大器的增益表达吗?

传函数都是:H(s)=实线椭圆阻抗/虚线网络阻,我们根据定义求出对应的点就行了。不过这个方法有点麻烦,还得计算。

简单一点是这么想,零点就是让输出为0的点,极点就是让输出为无穷大的点(这时候考虑负频率,就是求的时候假定负频率是存在的),然后我们去找对应的点就行了。

I型补偿

要想得到零点,那么我们就找使输出等于0的频率点,显然,要想输出等于0,必须C1的阻抗为0,电容的阻抗是1/sC,那么得频率为无穷大才行,一般我们不考虑无穷大的频率,所以说I型补偿没有零点。

要想得到极点,那么我们需要找使输出为无穷大的点,显然,输出无穷大,只需要电容C1的阻抗是无穷大就行,显然,频率为0时,输出阻抗1/sC为无穷大,也就是说0是I型补偿的极点。

所以,对于I型补偿,没有零点,有一个极点

II型补偿

同样的,要想得到零点,那么我们就找使输出等于0的频率点,显然,要想输出等于0,必须下面这一坨的阻抗为0。

这一坨的结构是R2和C1串联后,再和C2并联。要想上面那一坨整体阻抗为0,要么C2的阻抗为0,要么R2和C1串联后的阻抗为0。

因为不考虑无穷大频率,所以C2的阻抗不可能为0。R2和C1串联后的阻抗是可以为0的,即R2+1/sC1=0,解出来就是s=-1/(R2*C1),我们取绝对值换算成频率,即有一个零点w=1/(2π*R2*C1)

同样的道理,极点就是下面一坨整体的阻抗为无穷大时的点

因为上面结构是并联的关系,首先,可以很容易观察到,当频率为0的时候,两个并联的支路阻抗都是无穷大,那么并联之后自然还是无穷大,即,0是这个补偿器的一个极点。

除此之外,R2和C1串联之后,再与C2并联,也会在其它的频率点等于无穷大,有一个简单方法,只需要把R2和C1和C2的阻抗相加等于0,算出来的点就是极点,原理是什么呢?

所以,我们把R2和C1,C2阻抗加起来,如果阻抗等于0,那么整体并联的阻抗就是无穷大的了,即R2+1/sC1+1/sC=0,那么最终极点就是:s=-(1/C1+1/C2)/R2。

取绝对值换算成频率:w=(1/C1+1/C2)/(2π*R2)

所以,对于II型补偿,有两个极点,一个零点。

III型补偿

由前面可知,II型补偿的零极点都是从反馈网络得来的,我们观察III型补偿,它的反馈网络和II型补偿一模一样。因此,III型补偿反馈网络产生的零极点,同II型补偿是一模一样的,也有两个极点和一个零点,就不再赘述了。

除了反馈网络,III型补偿在同相输入的电阻上面并联了电阻和电容,那么这个网络是否产生零极点呢?

自然是会的,不然III型补偿不就没用了吗?方法其实和前面差不多。

先看零点,零点是使输出为0的点,要想输出为0,那么虚线框的总阻抗为无穷大。并联之后阻抗要想等于无穷大,那么R1,R3,C3三者加起来的阻抗要等于0,原理还是下面这个

即:R1+R3+1/sC3=0,即s=-1/((R1+R3)*C3),取绝对值然后换算成频率:w=1/(2π*(R1+R3)*C3)

再看极点,极点是使输出为无穷大的点,要想输出为无穷大,那么虚线框的总阻抗为0。易知,当R3和C3串联的阻抗为0,那么虚线框的总阻抗就为0。R3+1/sC3=0,算得s=-1/(R3*C3),取绝对值之后换算成频率:w=1/(2π*R3*C3),即该频率点就是一个极点。

综上所述,III型补偿有3个极点,2个零点。

上面三种补偿汇总如下:

以上是我觉得,写出零极点最快的方式了,基本不用动笔,写得有点长,显得有点复杂。不过要是知道里面的道理,应该还是挺方便的。

小结

本节内容就写到这里了,主要针对常见的几种补偿,看怎么能做到“看着图把零极点看出来”。

 

标签: 6w开关电源要用多大电容

锐单商城拥有海量元器件数据手册IC替代型号,打造 电子元器件IC百科大全!

锐单商城 - 一站式电子元器件采购平台