开关电源中控制环截止频率与开关频率的关系？

简介：
本篇文章探讨了在开关电源设计中，控制回路截止频率和开关频率之间的相互作用及其对系统稳定性的影响。 在开关电源设计过程中，控制环截止频率与开关频率之间的关系是决定电力电子变换器稳定运行及性能优化的关键因素之一。PWM（脉宽调制）技术被广泛应用以调整输出电压的高低，通过改变占空比实现这一目的；而反馈回路则负责调节这个占空比。 首先需要明确的是香农采样定理，在通信领域中该理论指出信号的采样频率至少应为最高频率的两倍才能保证不失真地恢复原始信号。此原理同样适用于电力电子变换器，其中载波频率相当于采样频率，而调制波与载波交截点决定了占空比的变化情况；这实际上是对输入信号的一种采样方式。由于这种瞬时性的影响，开关电源的输出电压上限被限制在了开关频率的一半以下。因此，在理论上讲，更高的开关频率意味着可以产生更高频的变换器输出。 然而，控制环截止频率无论设置多高，都不能使变换器输出超过一半开关频率以上的正弦波信号。当调制波与载波多次相交时，则需要遵循斜坡匹配原则：若调制波的斜率大于或等于载波，则会产生多个交叉点的现象；为了避免这种情况，在设计控制环时通常会设定较低的截止频率，以减少次级开关纹波，并确保占空比变化不会超过预期范围。在模拟控制系统中这一点尤为重要，而在数字系统里由于零阶保持器的存在，调制波在一个周期内是固定的斜率为0的情况不存在。 另外，小信号模型准确性对控制环设计至关重要；状态空间平均法通常用于处理PWM环节中的非线性问题，并假设除了基频分量外的所有频率都可以被忽略。但实际上占空比包含许多非基频成分，在较低带宽下可以更有效地抑制这些高频噪声，从而提高该方法的精度。这也是为什么电力电子变换器环路截止频率一般设定为开关频率15至110倍的原因之一；然而在需要快速响应的应用场合（如VRM），可能需要更高的环路截止频率，此时状态空间平均法不再适用。 综上所述，在设计过程中必须充分考虑控制环的截止频率与开关频率之间的关系，并依照采样定理、斜坡匹配原则以及小信号模型准确性等原理来选择合适的参数设置。无论是在模拟还是数字控制系统中，这些基本原则都需严格遵守以确保电力电子变换器能够稳定运行并满足实际应用需求。