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環(huán)路設(shè)計(jì)之穿越頻率

 六云ocbohngfbq 2016-07-21

在理解穿越頻率前回顧一下,零點(diǎn),極點(diǎn),轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)擊直接查看?解剖陰魂不散的零點(diǎn)和極(包含轉(zhuǎn)折頻率)

在我前一篇文章里解釋了轉(zhuǎn)折頻率,這次接著來(lái)解釋下什么叫穿越頻率:百度名詞解釋是這樣說(shuō)的:用來(lái)描述系統(tǒng)頻率特性的一個(gè)指標(biāo),也稱(chēng)剪切頻率。其定義為幅頻穿越0dB處的頻率,截止頻率對(duì)應(yīng)的相頻曲線上的相位反映了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。相位裕度定義為截止頻率(Wc)對(duì)應(yīng)的相位 180°,相位裕度大于0表示系統(tǒng)穩(wěn)定,小于0系統(tǒng)不穩(wěn)定。
是不是感覺(jué)還是有點(diǎn)不太懂啊,好吧我們先來(lái)觀察三張波特圖

第一張圖穿越頻率在13khz(大概目測(cè)值)

 第2張圖穿越頻率在2.8KHZ處

 最后張圖研究生朋友應(yīng)該熟悉了來(lái)自浙江大學(xué)徐德鴻教授<<電力電子系統(tǒng)建模及控制>>教材中。
1補(bǔ)償前被控系統(tǒng)的幅頻特性,
2pi控制器幅頻特性,
3補(bǔ)償后的幅頻特性,這三個(gè)幅頻特性曲線顯然穿越頻率點(diǎn)各不相同。當(dāng)然最后一個(gè)是最好的也是希望得到的幅頻特性曲線。
看了三張圖后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共有特點(diǎn)。就是都有穿越這一動(dòng)作。穿越了誰(shuí)呢?顯然是幅頻特性圖0db處的橫軸。那么穿越的這個(gè)0db,(增益為1,20log1=0dB.即輸入與輸出信號(hào)幅值不變)處的所對(duì)應(yīng)的頻率就是穿越頻率了。
所以我們也可以這樣來(lái)解釋?zhuān)?/strong>

穿越頻率fc:當(dāng)輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化時(shí),當(dāng)頻率變化正好使電路增益為1或0db的時(shí)候。此點(diǎn)頻率就是穿越頻率(通常也稱(chēng)為剪切頻率,交越頻率或截止頻率)。

作者:紹興大力

最近正好研究這方面的內(nèi)容,從穿越頻率的定義來(lái)開(kāi)宗明義,小弟也談一談對(duì)穿越頻率的理解: 
1)對(duì)定義的理解; 
2)對(duì)環(huán)路校正時(shí)穿越頻率選取原則理的解; 
3)還有大家在分析Bode圖時(shí),多數(shù)只關(guān)注增益曲線,卻鮮有關(guān)注相位曲線的,而頻域分析的本來(lái)就比較抽象,一兩句也解釋不清楚.

以下詳細(xì)展開(kāi),請(qǐng)多指教: 
1)穿越頻率:幅頻曲線穿越0dB即增益為1時(shí)的頻率。 
首先,0dB=20log(Vout/Vin), A=Vout/Vin 
可以得到 Vout/Vin=1,也即增益A=1了,這是一個(gè)臨界點(diǎn) 
為什么以增益為1來(lái)討論呢?增益往通俗了講就是放大倍數(shù),放大倍數(shù)為1的時(shí)候正好是不放大也不衰減。 
(1)頻率低于穿越頻率fcross的時(shí)候,A>0,此時(shí)環(huán)路對(duì)信號(hào)起到放大作用。在低頻段,我們希望放大倍數(shù)越大越好,一是可以抑制輸入電壓的低頻噪聲,如市電100Hz;二是可以使得輸出電壓相對(duì)于參考電壓的直流誤差減小. 這樣環(huán)路對(duì)于低頻信號(hào)比較靈敏,靈敏度比較高 對(duì)于負(fù)載調(diào)整率和輸出紋波的抑制都會(huì)有很大幫助,利于環(huán)路對(duì)低頻信號(hào)的快速反應(yīng)。 
(2)頻率高于穿越頻率fcross時(shí)呢,A<0,此時(shí)環(huán)路對(duì)信號(hào)起到抑制作用。在高頻段,我們希望抑制比(不考慮正負(fù)號(hào))也是越大越好,這樣環(huán)路對(duì)于高于fcross的頻率都會(huì)有抑制作用,對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率的低次諧波有抑制作用,利于環(huán)路穩(wěn)定。 

2)穿越頻率的選取原則 
所以呢,鑒于以上1)的分析,在穿越頻率選取的時(shí)候需要權(quán)衡快速反應(yīng)特性和穩(wěn)定性?xún)煞矫娴目紤],要找到一個(gè)矛盾的平衡點(diǎn)。 
很多資料都有提到fcorss的選取要在開(kāi)關(guān)頻率的1/10~1/6, 1/5都有,很多人介紹時(shí)認(rèn)為這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的取值,其實(shí)除了經(jīng)驗(yàn),還是有理論可依的 
目前中小功率PWM拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)頻率大概在65KHz~150KHz(大功率為功率密度考量使用PFM另當(dāng)別論),若是以上面這個(gè)原則來(lái)取值,fcross大概要取在6.5KHz~25KHz了 
我們實(shí)際設(shè)計(jì)的中實(shí)際可能在下限附近去取值,很少有取到25KHz吧,并且宜低不宜高?為什么呢? 
依據(jù)一:奈奎斯特采樣定律,為避免環(huán)路將開(kāi)關(guān)頻率附近的高頻雜訊采樣回來(lái)加入負(fù)反饋,一般要小于開(kāi)關(guān)頻率的1/2才不會(huì)重現(xiàn),實(shí)際應(yīng)用中我們?yōu)榱吮荛_(kāi)會(huì)取更低;(這個(gè)是上限) 
依據(jù)二:客戶(hù)規(guī)格和器件帶寬限制,一般客戶(hù)要求負(fù)載的動(dòng)態(tài)調(diào)整率在5KHz以上,保證快速反應(yīng);(有特殊要求的除外)給予器件帶寬選型考慮,我們也是就低不就高(這是下限) 
依據(jù)三:為整機(jī)效率計(jì),稍大功率的PWM都會(huì)采用CCM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即使DC2DC不采用,PFC也是會(huì)考慮,CCM的拓?fù)錇橐种普伎毡忍髸r(shí)產(chǎn)生的sub-resonent次諧波震蕩, 也會(huì)降低外環(huán)采樣頻率以配合斜率補(bǔ)償。 
依據(jù)四:歷史,我們相信大多數(shù)設(shè)計(jì)者都了解,開(kāi)關(guān)電源剛在國(guó)內(nèi)生根發(fā)芽的時(shí)候,國(guó)內(nèi)的開(kāi)拓者們?yōu)槲覀冏隽撕芏嘭暙I(xiàn),翻譯國(guó)外的資料,而在外國(guó)作者在寫(xiě)這些資料的時(shí)候 
甚至很少有IC控制的,多數(shù)采用RCC來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM,即使有在當(dāng)時(shí)的PWM器件大概也只有20KHz左右吧,這樣1/5,1/6的說(shuō)法就不足為奇了。所以現(xiàn)在器件發(fā)展了,我們的設(shè)計(jì)思路 也要與時(shí)俱進(jìn),這樣才不會(huì)落伍。 
歷史依據(jù):我想再補(bǔ)充一點(diǎn),(走在路上突然想到的)那就是現(xiàn)在多使用電流控制模式,擁有電流內(nèi)環(huán) 電壓外環(huán)兩個(gè)反饋環(huán)路,電流環(huán)相當(dāng)于粗調(diào),基本能達(dá)到要求了,所以電壓環(huán)也不用設(shè)計(jì)那么快就能保證很好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率了。而早先的電路采用電壓控制方式,只有電壓反饋環(huán)一個(gè)外環(huán)去調(diào)節(jié)輸出,所以就需要快一點(diǎn)。 
綜上所述呢,現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)中如果采用電流控制的話,已經(jīng)淡化了電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)。并不需要工程師有自動(dòng)控制方面的理論,經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師使用try and error的方式也可以完成。 還有頻率響應(yīng)分析儀的使用,及仿真軟件的使用也可以加速環(huán)路設(shè)計(jì)。 
水平有限,以上淺見(jiàn),請(qǐng)多指教。

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