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开关电源的环路设计及仿真

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1 基本理论

开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的,即由Vc与锯齿波信号比较,产生PWM波形。根据锯齿波产生的

方式不同,开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。电压型的锯齿波是由芯片内部产生的,如LM5025,电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的,如UC3843。对于反激电路,变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。

输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数Tu,Tu=Vo/Vc。一般按频率的变化来反映Tu的变化,即

Bode图。

电压型控制的电源其Tu是双极点,以非隔离的BUCK为例,形式为: 信息来源:http://tede.cn

电流型控制的电源其Tu是单极点,以非隔离的BUCK为例,形式为: 信息请登陆:输配电设备网

各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。本讲座的目的是提供一种直观的环路设计手段。 信息来自:输配电设备网

2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu 2.1 开关平均模型

开关电源的各个量经平均处理后,去掉高频开关分量,得到低频(包括直流)的分量。开关电源的建模、静态工作点、反馈设

计、动态分析等都是基于平均模型基础之上的。若要得到实际的工作波形,应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。

信息来自:输配电设备网

将开关电路中的开关器件经平均化处理后,就得到开关平均模型,用开关平均模型可以搭建各种电路。

以下是几个开关电源的平均模型仿真例子,从电路波形中看不到开关量,只是平均量,比如电感中流过的电流是实际电感中

的电流平均值,电容两端的电压是实际电容两端电压的平均值等等。

2.1.1 CCM BUCK(连续模式BUCK) 信息请登陆:输配电设备网

先直流扫描Vc,得到所需的输出电压,即得到了电路的静态工作点。然后交流扫描,得到Tu的Bode图。Tu为双极点。此

处Vc等同于占空比d。 信息请登陆:输配电设备网

2.1.2 DCM BUCK(断续模式BUCK)

按以上方法得到Tu,在DCM下,Tu变成单极点函数。模型CCM-DCM即可用于连续模式,也可用于断续模式。此处Vc

仍等同于占空比d。

2.1.3 CCM BOOST(连续模式BOOST)

可以用模型搭建各种电路,如连续模式BOOST。

此处采用CCM-DCM模型可能仿真不收敛,为使仿真更好地收敛,建议什么电路模式采用对应模型。此处Vc也等同于占空

比d。

2.1.4 Flyback 信息来源:http://tede.cn

n是变压器变比,原边比副边;L是变压器原边电感量。此处V6等同于d。 2.2 受反馈电压控制的仿真

实际电路中,占空比d的产生主要有两种方法:电压控制和电流控制。仿真时,电压控制中d的产生方式如下:

信息来源:http://tede.cn

Vc是反馈回路的输出电压,GAIN的放大倍数等于锯齿波幅值的倒数,若锯齿波幅值为Vm,则GAIN=1/Vm。 信息来自:输配电设备网

电流型控制中d的产生方式如下:

同上,Vc是反馈回路的输出电压;IL是用于产生锯齿波的电流信号,例如在BUCK电路中是输出电感电流,在Flyback中是

变压器原边电流;V1是使电流上升的电压,V2是使电流下降时的电压;占空比d及d2是输出变量。

至此,我们可以得到控制电压Vc到输出电压Vo的传递函数Tu。下面是几个仿真Tu的例子。 信息来源:http://tede.cn

2.2.1 电压型控制的CCM BUCK

上述几个例子中加入GAIN就变成电压型控制的仿真电路了。 2.2.2 电流型控制的CCM BUCK 信息来源:http://tede.cn

电流互感器将输出电感的电流信号变成电压信号IL,产生锯齿波,模型CPM将控制电压Vc与锯齿波比较产生占空比d的

PWM波。MOS开通时,L1中的电流上升,使其电流上升的电压V1是Vg-Vo;Mos关断时,Vo加在L1上,使其电流下降的低电压V2=Vo。参数Rs是检流电阻,mva是斜坡补偿的斜率,单位是V/S,L是输出电感,fs是开关频率。

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2.2.3 带变压器隔离的电流型BUCK电路

由于电路带变压器,所以平均开关模型也要用带变压器的模型CCM-T(带变压器的电流连续模式的模型)。参数Rs是原边检流电

阻,n是变压器变比(原边:副边),mva是斜坡补偿的斜率,单位是V/S。

2.3 仿真实例 信息来自:输配电设备网

实际电路中,选用不同的控制芯片,控制电压Vc的产生方式是不同的。以下是几个我们在工作中经常用到的几种控制芯片

的仿真实例。

信息请登陆:输配电设备网

2.3.1 带变压器隔离的电流型CCM(UC3843)

开关电源的环路设计及仿真

1基本理论开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的,即由Vc与锯齿波信号比较,产生PWM波形。根据锯齿波产生的方式不同,开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。电压型的锯齿波是由芯片内部产生的,如LM5025,电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的,如UC3843。对于反激电路,变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。<
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