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开关电源的环路设计及仿真
摘要: 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
Abstract:
Key words :

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

  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

 
 

  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。

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  2.3.1 带变压器隔离的电流型CCM(UC3843)

 

  UC3843-1

  UC3843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)。  信息来自:输配电设备网

  UC3843的斜率补偿,对于下图电路,补偿斜率 (V/s) 

  2.3.2 带隔离和电压前馈的电压型CCM(LM5025)

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  若R1>>R3,C2>>C1,有:

 
 

  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  

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  下面对此电路按上面的方法重新设计补偿网络。 信息来自:输配电设备网

  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。 

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  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:

 

  补偿后带宽20kHz,相位裕度30°。仿真得到的相位裕度往往小于预期的值,这是由于补偿网络的运放及未完全补偿的光藕造成的。

 

 
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