内容简介

《开关电源控制环路设计》共分九章，系统阐述了开关电源的控制环路设计和稳定性分析。第1～3章介绍了环路控制的基础知识，包括传递函数、零极点、稳定性判据、穿越频率、相位裕度、增益裕度以及动态性能等；第4章介绍了多种补偿环节的设计方法；第5～7章分别介绍了基于运放、跨导型运放以及TL431的补偿电路设计方法，将理论知识与实际应用密切关联；第8章介绍了基于分流调节器的补偿器设计；第9章介绍了传递函数、补偿环节与控制环路伯德图的测试原理和方法。本书将电源环路控制的知识点进行了系统的汇总和归纳，实用性强，是一本非常的电源控制环路设计的著作。

《开关电源控制环路设计》适合电源工程师、初步具备电力电子技术或者开关电源基础的读者，可以较为系统地了解开关电源控制环路设计的理论知识、分析方法、工程实践设计以及测试分析等，在工程实践的基础上，大大提高理论分析水平和设计能力。《开关电源控制环路设计》也可作为电力电子与电力传动相关学科研究生的教学参考用书。

目录

目录

译者序

原书序

前言

致谢

本书所用的变量和缩略语

本书运算中的数字和前缀

第1章环路控制基础

11开环系统

111扰动

12控制的必要性——闭环系统

13时间常数的概念

131时间常数的应用

132比例环节

133微分环节

134积分环节

135比例积分微分环节

14反馈控制系统的性能

141暂态或稳态

142阶跃信号

143正弦信号

144伯德图

15传递函数

151拉普拉斯变换

152激励和响应信号

153一个简单的范例

154组合传递函数的伯德图

16总结

精选参考书目

第2章传递函数

21传递函数的表示

211正确书写传递函数

2120dB穿越极点

22根的求解

221观察法找极点和零点

222极点、零点和时间常数

23动态响应和根

231根的变化

24s平面和动态响应

241复平面上的根轨迹

25右半平面的零点

251一个两步转换过程

252电感电流斜率的限制

253使用平均模型来显示RHP零点效应

254Boost变换器的右半平面零点

26结论

参考文献

附录2A确定桥式输入阻抗

附录2B使用Mathcad绘制埃文斯轨迹

附录2C亥维赛展开公式

附录2D使用SPICE画出右半平面零点

第3章控制系统的稳定性判据

31建立一个振荡器

311工作原理

32稳定性判据

321增益裕度和条件稳定

322最小和非最小相位系统

323奈奎斯特图

324从奈奎斯特图中提取基本信息

325模值裕度

33动态（暂态）响应、品质因数和相位裕度

331二阶RLC电路

332二阶系统的瞬态响应

333相位裕度和品质因数

334开环系统相位裕度测量

335开关变换器的相位裕度

336变换器的控制延时

337拉普拉斯域中的延时

338延时裕度与相位裕度

34选取穿越频率

341简化的Buck电路

342闭环下的输出阻抗

343穿越频率处的闭环输出阻抗

344缩放参考值以获得所需要的输出

345进一步提高穿越频率

35总结

参考文献

第4章补偿

41PID 补偿

411拉普拉斯域的PID表达式

412PID补偿器的实际实现

413PI补偿器的实际实现

414PID在Buck变换器中的应用

415具有PID补偿的Buck变换器瞬态响应

416设定值固定：调节器

417具有谐振峰的输出阻抗响应曲线

42基于零极点配置补偿变换器

421简易参数设计步骤

422被控对象传递函数

423积分环节消除静态误差

424积分调节器：1型补偿器

425穿越频率处相位补偿

426配置极点和零点进行相位补偿

427用一对零/极点实现90°相位提升

428用一对零/极点调整中频段增益：2型补偿器

4292型补偿器的设计实例

4210使用双重零/极点对实现180°的相位提升

4211使用双重零/极点调整中频段增益：3型补偿器

42123型补偿器的设计实例

4213选择合适的补偿器类型

4214用于Buck变换器的3型补偿器

43输出阻抗整形

431使输出阻抗呈阻性

44结论

参考文献

附录4A利用快速分析技术得到Buck变换器的输出阻抗

附录4B根据伯德图的群延时计算品质因数

附录4C利用仿真或者数学求解器来获得相位

附录4D开环增益和原点处极点对基于运算放大器的传递函数的影响

附录4E补偿器结构小结

第5章基于运算放大器的补偿器

511型补偿器（原点极点补偿）

511设计实例

522型补偿器：一个原点处极点，以及一个零极点对

521设计实例

532a型补偿器：原点处极点和一个零点

531设计实例

542b型补偿器：静态增益和一个极点

541设计实例

552型补偿器：基于光电耦合器隔离的结构形式

551光电耦合器与运算放大器直接连接，光电耦合器采用共发射极接法

552设计实例

553光电耦合器与运算放大器直接连接，光电耦合器采用共集电极接法

前言/序言

译者序

随着电力电子技术的飞速发展，以电力电子技术为基础的现代电源已经在各行各业得到了广泛的应用，包括电力系统、新能源、电气化交通、消费电子等，并且随着技术的发展，其应用面还在持续拓展。

电力电子变换器的种类很多，其中直流变换器是最基本、也是应用最为广泛的一种变换器，在所有需要用到直流供电的设备中，都有它的应用。直流变换器有很多种拓扑结构和控制方式，其性能与拓扑及控制密切相关，两者不可分割。直流变换器的性能包括一系列的静态和动态指标，如变换效率、功率密度、输入调整率、负载调整率、输出精度、瞬态响应时间等。这些性能不仅与拓扑的选择和设计相关，也与控制环路的设计相关，拓扑和控制如同汽车的左、右轮，两者同等重要。相同的拓扑在不同的控制方式下，其性能也会有较大差异。

相对拓扑的选择和设计，控制环路的设计对电源工程师或者初学者而言，显得更为复杂。它不仅涉及电路方面的知识，也包括数学建模、控制理论、数字信号处理等多个学科知识的综合，特别是如何将理论知识应用到工程实践中。在很多场合，控制环路设计主要依靠工程师的经验，很难实现性能的优化。因此，十分有必要结合工程实践，对控制环路的设计和分析方法进行推广和普及。

Christophe Basso 先生撰写的这本关于直流变换器控制环路设计的著作，涵盖了控制环路设计和稳定性分析的基础知识，将很多分散的知识进行了有机的梳理和总结，同时也包括了很多的工程实践设计实例，实用性和实践性非常强，很好地建立了控制理论与功率变换器设计之间的联系，是一本非常优秀的电源控制环路设计的著作。

本书比较适合已经具备电力电子技术和开关电源技术基础的读者，可用作提升控制环路设计和分析知识的参考书，也可作为电力电子相关学科研究生的教学参考用书。

原书序

在他的上一本书《开关电源：SPICE仿真与实用设计》中，Christophe Basso通过实际电路设计对变换器拓扑和PFC电路进行了众多有价值且详细的解释。虽然那本书中也很好地解释和使用了建模和反馈控制，但是着重点在SPICE仿真方面。

在本书中，Christophe深入研究并分析了用于功率变换器的特定控制电路。他详细分析了不同控制器下变换器的性能，如动态负载响应、输入抑制的稳定性等，包括用于教学目的的非常规变换器以强调反馈控制方法的一些微妙方面。他推导了许多分析结果可用来设计一种能够实现特定性能目标或满足稳定性标准的补偿器。

在这本书中，除了严谨的控制理论方面，我很高兴地看到变换器电路的分析是基于快速分析电路技术进行的，答案为低熵形式，非常符合RDMiddlebrook博士的思想。如果设计与分析相反，Middlebrook会说，那么唯一值得做的分析是面向设计的分析，它产生低熵表达式。Christophe很好地贯彻了这一思想。

功率变换器设计中的模拟电子部分的关注度正在不断下降和消失。控制理论的书籍比比皆是，而模拟电子教科书越来越少并且越来越像烹饪书。对于想要在电力电子领域工作的电气工程专业的新毕业生来说，入门所必备的知识是分散的，而且很难统一。虽然也有很好的资源可以针对工程师提供为期一周的课程，但是这些资源需要具备电源变换器相关的知识和工作经验。在我看来，本书很好地填补了控制理论与功率变换器设计之间的空白。另外，从我有限的经验来看，除了设计电源变换器之外我有时也需要解决一些控制问题，这样一本书是非常必要的。我也看到控制系统，或者说控制方案，对于稳定平台或调节激光器的温度而言过于复杂且没有必要。如果设计人员能首先理解执行机构的等效电路模型，那么其性能（通常是微不足道的）就可以通过设计一个简单得多的反馈控制电路而大大提高。Christophe在揭示建模和严格补偿变换器电路的概念方面做得非常出色。所有电力电子工程师每隔一段时间就可能需要解决非电源变换器设备的控制问题，故我向他们推荐这本书。

Vatché Vorpérian

美国国家航空航天局喷气推进实验室