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1、开关电源电路的设计及仿真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。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：Tu;=, L 2 T
2、1 + s1- s L CRTo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:T Tu:=1 十 sRC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。2计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu2.1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)。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
3、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）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。2.1.2 DCM BUCK（断续模式 BUCK）一 0F 丽/WIETERS:L= 10ufs = 3DDk1 伯GD.232Vtic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
4、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 Flybackn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: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
5、/Vm。CPM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。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 BUCKL= 35u住=2D0ke侦m = 120kRs = 11.39rijc电流互感器将输出电感的电流信号变成电压信号IL，产
6、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NUDESET= 54.06PARAMETERS:L = 3LIUU fs 二 lODk n = 2.97 Rs = 0.22 mva = iLUh;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
7、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。PARAMETERS:L = 2Dufs=3D0kn = 0.333Rs = 0.012 mva = 4D0kL41 CrvrJThi洒 h曲J GA1N= 12.3.1带变压器隔离的电流型CCM（UC3843）UC3843-1UC3843自带的运放归为反馈回路，运放输出的电压作为控制电压Vc。V9芯片内部的两个二极管压 降，GAIN的放大倍数等于芯片内的电阻分压。此电路采用电流互感
8、器采样原边电流，对于如下的采样电路，Rs=R/n，n是电流互感器的匝比(n:1)。Vf R2 mva :=UC3843的斜率补偿，对于下图电路，补偿斜率Rt，Ct El *R(V/s)RT/CTCs2.3.2带隔离和电压前馈的电压型CCM(LM5025)DONOQE8ET= 3.38n = 6 is = 2S0kR= IflOkC = 470pLM5025-1R、C为产生锯齿波的参数。V6对应于芯片内部反馈信号的1V压降，2.3.3准谐振反激电路(UCC28600)= 0.9Clul = 70 p4-幸C2 390 u半C2a2J0uFZIC= 28UCC28600有时候用DC扫描来找静态工作
9、点时，往往不收敛，此时可以预先算出Vc值，然后用偏置点扫描 （bias point）来得到静态工作点。为改善收敛性，可以在关键点加 NOTESET或IC，两者的区别是： NOTESET只是给定某点地初始电压，在偏置点扫描后，该点电压可能会变化。IC是将某点电压固定 住，偏置点扫描后保持不变。上图中Rs是原边检流电阻，eff是电源效率，Ctot是MOS管的DS端电 容。按准谐振反激电路的特点，占空比d、原边电流峰值Ip、开关频率fs都由模型算出，不用给定。3补偿网络设计3.1基本理论信息来源：常用的开关电压电源未补偿的开环传递函数Tu可分为单极点和双极点两种，对于单极点一般采用 PI（比例积分）补偿，双极点一般采用PID（比例积分微分）补偿。也可以大致理解为电流型控制的采用PI 补偿，电压型控制的采用PID补偿。PI补偿可以用如下电路实现:ClWL=1/(R2C2) Wp=1/(R2C1) Gc=R2/R1 (C2C1)Gc是比例因子。零点WL引入积分，当频率小于WL,增益增加，直流增益提高，意味着稳压精度 提高。极点Wp使高频的干扰信号迅速衰减。需要注意的是上面的等式是在C2C1的假设下得到的， 实际选择反馈参数时要注意满足这个条件。PID补偿可以采用如下方式：若 R1R3，C2C1，有:WL := Wz := R2C2 R1C3
