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开关电源的环路设计及仿真

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实测的交越频率及相位裕度都比仿真的大些,这是由于频率高了以后,电路的分布参数影响的结果。 信息请登陆:输配电设备网

3.2.2 隔离的电流型BUCK(TDA16888)

输入400Vdc,输出54V/5A,开关频率fs=100kHz。 信息来自:输配电设备网

/psimu/zx500W/main/small signal1

为便于补偿网络的设计,将光藕部分也归入未补偿的传递函数Tu,即:只将补偿网络分开。那么Tu是光藕的输入Vc(补偿

网络运放的输出)到输出Vo的传递函数。

补偿斜率mva的计算:芯片15脚的外接电容100pF,通过内部的10K电阻充电,时间常数只有1us,电源的开关频率是100kHz,

在电流信号与Vc比较的瞬间,外接电容已经基本充满了电,对斜率补偿没有多大影响,实际上此处电容的作用只是消除电流检测波形前端的尖峰。对环路特性有影响的斜率是指锯齿波与Vc比较时的斜率。TDA16888芯片内部是将电流检测信号放大了5倍,即加在电流锯齿波信号上的补偿斜率是电流信号本身斜率的4倍。根据实际电路结构,可以算出在变压器原边检流电阻上的电流信号(实际是电压信号)的斜率:

输入电压Vi=400V,变压器变比n=2.875,输出电感Lo=200uH,输出电压Vo=54V,输出电感电流的上升斜率

mi=(Vi/n-Vo)/Lo=0.425A/us,折合到原边,电流上升斜率mip=mi/n=0.148A/us,在检流电阻上的电压上升率

mv=mip*Rs(0.22)=0.0325V/us=32.5K V/s,也可以通过仿真直接得到电流斜率。由此得到补偿斜率mva=4*mv=130K V/s。

信息来自:输配电设备网

V9是芯片内部的压降。 信息请登陆:输配电设备网

第一步:先得到Vc到Vo的传递函数Tu。方法是对Vc进行DC扫描,得到使输出电压为Vo时的Vc值,从而确定了电路

的工作点(Bias point)。设定Vc的直流分量为工作点的值,然后进行AC扫描,得到Tu:DC增益32.84dB、转折频率fo=23.6Hz。

第二步:确定补偿网络的形式。因为是电流型控制,可以采用PI补偿。补偿前Tu的直流增益dbTuo=32.84dB,Tu的转折

频率fo=23.57Hz,Tu的交越频率fc’=1kHz。为提高系统的动态响应,将补偿后的fc提高到2kHz(由于光藕的带宽只有10kHz左右,所以在有光藕隔离的场合,很难将交越频率提得很高);为提高稳压精度,加入零点fL=fc/10;为抑制高频干扰,加入极点fp=10*fc;在确定R1=33k后,可以算出反馈网络的参数:R2=64k C2=12nF C1=120pF

第三步:将补偿网络加入环路中,此时得到的电路就和实际的一样了。进行偏置点扫描(biaos point swip),得到电路各点的

电压,与实际的测试结果比较,保证电路的参数设计合适,比如可以看看光藕的If是否合适。将环路中各器件设计到合适的工作点是保证电路在各种环境下稳定工作及长的工作寿命的前提。注意:补偿网络的参数不会影响电路的静态工作点。确定环路的静态工作点后,加入Lf、Cf及Vsti进行AC扫描,得到整个系统补偿后的开环传递函数T。

信息请登陆:输配电设备网

在上述仿真电路中,电感Lf很大,对直流信号相当于短路,所以不会影响整个环路的静态工作点,Lf对交流信号来说相当

于开路,所以仿真出的T是开环传递函数;Cf也很大,对激励源Vsti来说相当于短路,从而引入激励信号,Cf对直流信号相当于开路,Vsti的任何直流分量不会影响环路的静态工作点。

从仿真结果可以看出,交越频率fc处的相位裕度φm=66°,且频率低于fc的最低相位裕度也有36°,所以系统是稳定的。下

面是实测的开环Bode图。

3.2.3 带前馈的电压型隔离BUCK(LM5025)

输入48V,输出3.3V/40A,LM5025控制器,开关频率fs=280kHz,下图是实际电路参数,可以看出测试结果与仿真结果

很相似,表示所建的仿真模型准确度是可以信赖的!

LM5025-2 信息来源:http://tede.cn

下面对此电路按上面的方法重新设计补偿网络。

首先,将补偿网络移出,画出从光藕输入到Vo的未补偿传递函数Tu。C8、C9、C6、R12不要,R6及Vr1是芯片内部参数,

需保留。

信息来源:http://tede.cn

从仿真结果可以看出,Tu的直流增益很小,只有-0.44dB。原因是光藕的电阻R5接到了输出Vo,从而降低了Vo对Vc的

增益。若将R5接到一个固定电平VCC上,则整个增益增加了,Tu的直流增益增加到25.6dB!以此为基础进行补偿网络设计。由于是电压型控制,所以采用PID补偿。由于本电源的开关频率很高,达fs=280kHz,若没有光藕隔离限制,补偿后的交越频率可取

fc=0.2*fs=56kHz,但由于光藕的带宽只有10kHz左右,且光藕引入的相位滞后在5kHz 以后急剧增加,所以为了得到尽可能大的带宽,首先应对光藕进行适当补偿以拓展其带宽。此处在光藕的输出加入RC零点。设补偿后的交越频率为fc=20kHz,Tu在fc处的增益dbGc=-8.67dB,希望在fc处得到60°的相位补偿,设置极点fp2=180kHz以抑制高频干扰,R1=100k//56k=35.9k,计算得到补偿网络如下:

开关电源的环路设计及仿真

实测的交越频率及相位裕度都比仿真的大些,这是由于频率高了以后,电路的分布参数影响的结果。信息请登陆:输配电设备网3.2.2隔离的电流型BUCK(TDA16888)输入400Vdc,输出54V/5A,开关频率fs=100kHz。信息来自:输配电设备网/psimu/zx500W/mai
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