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開關電源的環路設計及仿真
摘要: 1基本理論開關電源的輸出電壓Vo是由一個控制電壓Vc來控制的,即由Vc與鋸齒波信號比較,產生PWM波形。根據鋸齒波產生的方式不同,開關電源的控制方式可分為電壓型控制和電流型控制。電壓型的鋸齒波是由芯片內部
Abstract:
Key words :

1 基本理論

  開關電源的輸出電壓Vo是由一個控制電壓Vc來控制的,即由Vc與鋸齒波信號比較,產生PWM波形。根據鋸齒波產生的方式不同,開關電源的控制方式可分為電壓型控制和電流型控制。電壓型的鋸齒波是由芯片內部產生的,如LM5025,電流型的鋸齒波是輸出電感的電流轉化成電壓波形得到的,如UC3843。對于反激電路,變壓器原邊繞組的電流就是產生鋸齒波的依據。 信息來自:輸配電設備

  輸出電壓Vo與控制電壓Vc的比值稱為未補償的開環傳遞函數Tu,Tu=Vo/Vc。一般按頻率的變化來反映Tu的變化,即Bode圖。 信息來自:輸配電設備網

  電壓型控制的電源其Tu是雙極點,以非隔離的BUCK為例,形式為:

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  電流型控制的電源其Tu是單極點,以非隔離的BUCK為例,形式為:

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  各種電路的未補償的開環傳遞函數Tu可以從資料中找到。本講座的目的是提供一種直觀的環路設計手段。

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  2 計算機仿真開關電源未補償的開環傳遞函數Tu 信息來自:輸配電設備網

  2.1 開關平均模型

 
 

  由于電路帶變壓器,所以平均開關模型也要用帶變壓器的模型CCM-T(帶變壓器的電流連續模式的模型)。參數Rs是原邊檢流電阻,n是變壓器變比(原邊:副邊),mva是斜坡補償的斜率,單位是V/S。

  2.3 仿真實例 信息來自:輸配電設備網

  實際電路中,選用不同的控制芯片,控制電壓Vc的產生方式是不同的。以下是幾個我們在工作中經常用到的幾種控制芯片的仿真實例。

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  2.3.1 帶變壓器隔離的電流型CCM(UC3843)

 

  UC3843-1

  UC3843自帶的運放歸為反饋回路,運放輸出的電壓作為控制電壓Vc。V9芯片內部的兩個二極管壓降,GAIN的放大倍數等于芯片內的電阻分壓。

 

 

  此電路采用電流互感器采樣原邊電流,對于如下的采樣電路,Rs=R/n,n是電流互感器的匝比(n:1)。  信息來自:輸配電設備網

  UC3843的斜率補償,對于下圖電路,補償斜率 (V/s) 

  2.3.2 帶隔離和電壓前饋的電壓型CCM(LM5025)

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  若R1>>R3,C2>>C1,有:

 
 

  3.2.3 帶前饋的電壓型隔離BUCK(LM5025)

  輸入48V,輸出3.3V/40A,LM5025控制器,開關頻率fs=280kHz,下圖是實際電路參數,可以看出測試結果與仿真結果很相似,表示所建的仿真模型準確度是可以信賴的! 

  LM5025-2  

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  下面對此電路按上面的方法重新設計補償網絡。 信息來自:輸配電設備網

  首先,將補償網絡移出,畫出從光藕輸入到Vo的未補償傳遞函數Tu。C8、C9、C6、R12不要,R6及Vr1是芯片內部參數,需保留。 

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  從仿真結果可以看出,Tu的直流增益很小,只有-0.44dB。原因是光藕的電阻R5接到了輸出Vo,從而降低了Vo對Vc的增益。若將R5接到一個固定電平VCC上,則整個增益增加了,Tu的直流增益增加到25.6dB!以此為基礎進行補償網絡設計。由于是電壓型控制,所以采用PID補償。由于本電源的開關頻率很高,達fs=280kHz,若沒有光藕隔離限制,補償后的交越頻率可取fc=0.2*fs=56kHz,但由于光藕的帶寬只有10kHz左右,且光藕引入的相位滯后在5kHz 以后急劇增加,所以為了得到盡可能大的帶寬,首先應對光藕進行適當補償以拓展其帶寬。此處在光藕的輸出加入RC零點。設補償后的交越頻率為fc=20kHz,Tu在fc處的增益dbGc=-8.67dB,希望在fc處得到60°的相位補償,設置極點fp2=180kHz以抑制高頻干擾,R1=100k//56k=35.9k,計算得到補償網絡如下:

 

  補償后帶寬20kHz,相位裕度30°。仿真得到的相位裕度往往小于預期的值,這是由于補償網絡的運放及未完全補償的光藕造成的。

 

 
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