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。 信息来自:输配电设备网

  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。 信息来自:输配电设备网

  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:

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  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:

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   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。

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  2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu 信息来自:输配电设备网

  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)。

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  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) 

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  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。   信息来源:https://tede.cn

  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  

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  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。 信息请登陆:输配电设备网

  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:https://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。

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  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。 信息来源  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。

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  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:https://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。

2.2.3 带变压器隔离的电流型BUCK电路