小信号建模讨论
开关电源的小信号模型主要推导了开关电源的平均模型,并描述了不同的平均模型,开关电源的各种平均模型,可以分为态空间平均(SSA)、电压模式、电流模式、寄生元件效应、在边界导通模式下的PWM模型、PWM开关模型的电路集以及其他开关电源的平均模型等。
态空间平均模型(SSA)提供了一种推导变换器传输函数的方法,这是一种很长很复杂的过程。它主要针对整个变换器的工作原理进行分析,其优点时对变换器转换原理剖析叫清晰,涉及到每个电子元器件及其寄生参数。但缺点也很明显,当电路中有电子元器件变化时,如加入新的滤波元件,就需要根据新的电路重新推导。变换器传输函数推导过程中,工程师一般更注重大信号模型,往往会忽略小信号模型。
从变化器的原理分析可知,电路本身导通和截止两种状态,并且都包含线性网络。但电路在转换过程中存在非连续性(如MOS管开关时电流波形存在非连续性),这种非连续性就需要进行平滑。那么如何平滑这种非连续性?工程师们常常使用波形平均的方法(LC滤波),对电路建立大信号平均模型。与大信号模型对应的所示小信号模式,小信号模型常常被忽略,但它关系到变换器系统的稳定性,如输出电压纹波、线性调整率、频率响应以及EMC等。因此,研究变换器的小信号模型,有利于通过求得系统频率响应曲线,进一步对变换器做补偿。
变换器非线性的根源来自哪里?那必然是开关晶体管和二极管。为了将非线性器件与小信号模型联系起来,作者引入了PWM 开关。在变换器中,存在不同的控制方法,如电压模式和电流模式。在此前的几篇文章中,有重点讲过,电压模式无需检测电流,电路拓扑简单,但对输入电压抑制能力差,难以使变换器稳定工作在CCM模式。而电流模式需要始终检测电感电流,并按照工作检测要求调整电流值。以上两种方法都需要特殊的PWM开关模型,使变换器在CCM和DCM之间变换。
此外,工程们还常常会关注到电路元器件的寄生元器件效应,如ESR、ESRL、ESC等。这些参数常常会对变换器的频率响应产生影响、乃至系统稳定性。在讨论系统稳定性时,零点和极点在复平面的位置会非常重要。在求取零点和极点之前,需要先取得系统的环路增益表达式。当环路增益表达式的分子为零时,所对应的频率点为零点位置,有几个根就有几个零点。同理,当环路增益表达式的分母为零时,所对应频率点位置为极点。