開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)方案及仿真

開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)及仿真1基本理論開關(guān)電源的輸出電壓Vo是由一個(gè)控制電壓Vc來控制的，即由Vc與鋸齒波信號比較，產(chǎn)生PWM波形。根據(jù)鋸齒波產(chǎn)生的方式不同，開關(guān)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(nèi)部產(chǎn)生的，如LM5025，電流型的鋸齒波是輸出電感的電流轉(zhuǎn)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(chǎn)生鋸齒波的依據(jù)。輸出電壓Vo與控制電壓Vc的比值稱為未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)Tu，Tu=Vo/VG一般按頻率的變化來反映Tu的變化，即Bode圖。Tu：=To1+fit+s2-LCTu：=ToTu:=1+s-RC電壓型控制的電源其ToTu:=1+s-RC電流型控制的電源其Tu是單極點(diǎn)，以非隔離的BUCK為例，形式為:各種電路的未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)Tu可以從資料中找到。本講座的目的是提供一種直觀的環(huán)路設(shè)計(jì)手段。2計(jì)算機(jī)仿真開關(guān)電源未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)Tu2.1開關(guān)平均模型開關(guān)電源的各個(gè)量經(jīng)平均處理后，去掉高頻開關(guān)分量，得到低頻(包括直流)的分量。開關(guān)電源的建模、靜態(tài)工作點(diǎn)、反饋設(shè)計(jì)、動態(tài)分析等都是基于平均模型基礎(chǔ)之上的。若要得到實(shí)際的工作波形，應(yīng)按實(shí)際電路進(jìn)行時(shí)域仿真(TimeTransientAnalysis)。將開關(guān)電路中的開關(guān)器件經(jīng)平均化處理后，就得到開關(guān)平均模型，用開關(guān)平均模型可以搭建各種電路。以下是幾個(gè)開關(guān)電源的平均模型仿真例子，從電路波形中看不到開關(guān)量，只是平均量，比如電感中流過的電流是實(shí)際電感中的電流平均值，電容兩端的電壓是實(shí)際電容兩端電壓的平均值等等。CCMBUCK（連續(xù)模式BUCK）的Tu，得到所需的輸出電壓，即得到了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。然后交流掃描，得到Vc先直流掃描Bode圖。Tu為雙極點(diǎn)。此處Vc等同于占空比d。可以用模型搭建各種電路，如連續(xù)模式BOOST。腿GD.228\^c310UlcC1CI可以用模型搭建各種電路，如連續(xù)模式BOOST。腿GD.228\^c310UlcC1CI-150uU1CCM200uHDCMBUCK（斷續(xù)模式BUCK）按以上方法得到Tu,在DCM下，Tu變成單極點(diǎn)函數(shù)。模型CCM-DCM即可用于連續(xù)模式，也可用于斷續(xù)模式。此處Vc仍等同于占空比d。CCMBOOST（連續(xù)模式BOOST）此處采用CCM-DCM模型可能仿真不收斂，為使仿真更好地收斂，建議什么電路模式采用對應(yīng)模型。此處Vc也等同于占空比d。Flyback

-44-dohL470u0L=6D0uHV70.173M1Cfs=100k-in=ID0n是變壓器變比，原邊比副邊。L是變壓器原邊電感量。此處V6等同于d。2.2受反饋電壓控制的仿真實(shí)際電路中，占空比d的產(chǎn)生主要有兩種方法：電壓控制和電流控制。仿真時(shí)，電壓控制中d的產(chǎn)1.隊(duì)也生方式如下:Vc是反饋回路的輸出電壓，GAIN的放大倍數(shù)等于鋸齒波幅值的倒數(shù)，若鋸齒波幅值為Vm，則GAIN=1/Vm。U2CPM的產(chǎn)生方式如下：電流型控制中dU2CPM同上，Vc是反饋回路的輸出電壓。IL是用于產(chǎn)生鋸齒波的電流信號，例如在BUCK電路中是輸出電感電流，在Flyback中是變壓器原邊電流。V1是使電流上升的電壓，V2是使電流下降時(shí)的電壓。占空比d及d2是輸出變量。至此，我們可以得到控制電壓Vc到輸出電壓Vo的傳遞函數(shù)Tu。下面是幾個(gè)仿真Tu的例子。2.2.1電壓型控制的CCMBUCK上述幾個(gè)例子中加入GAIN就變成電壓型控制的仿真電路了。2.2.2電流型控制的CCMBUCK電流互感器將輸出電感的電流信號變成電壓信號IL，產(chǎn)生鋸齒波，模型CPM將控制電壓Vc與鋸齒波比較產(chǎn)生占空比d的PWM波。MOS開通時(shí)，L1中的電流上升，使其電流上升的電壓V1是Vg-Vo。Mos關(guān)斷時(shí)，Vo加在L1上，使其電流下降的低電壓V2=Vo。參數(shù)Rs是檢流電阻，mva是斜坡補(bǔ)償?shù)男甭?，單位是V/S，L是輸出電感，fs是開關(guān)頻率。2.2.3帶變壓器隔離的電流型BUCK電路mva=50Dk=L：4mva=50Dk=L：4=47LHJ:C147UU>R3tR4<，1Um；,10m.PARAMETERS:L=20LIUfs=1uuk由于電路帶變壓器，所以平均開關(guān)模型也要用帶變壓器的模型CCM-T（帶變壓器的電流連續(xù)模式的模型）。參數(shù)Rs是原邊檢流電阻，n是變壓器變比(原邊:副邊)，mva是斜坡補(bǔ)償?shù)男甭?，單位是V/S。2.3仿真實(shí)例實(shí)際電路中，選用不同的控制芯片，控制電壓Vc的產(chǎn)生方式是不同的。以下是幾個(gè)我們在工作中經(jīng)常用到的幾種控制芯片的仿真實(shí)例。2.3.1帶變壓器隔離的電流型CCM(UC3843)U1NODESET=24U1NODESET=24UC3843-1UC3843自帶的運(yùn)放歸為反饋回路，運(yùn)放輸出的電壓作為控制電壓Vc。V9芯片內(nèi)部的兩個(gè)二極管壓降，GAIN的放大倍數(shù)等于芯片內(nèi)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)。01□01□1N414SVrR2mva.:=RtCtR1+R2(V/s)UC3843的斜率補(bǔ)償，對于下圖電路，補(bǔ)償斜率2.3.2帶隔離和電壓前饋的電壓型CCM(LM5025)RT/CTR152mU3L：L：h..tTPARAMETERSv?1詭c2.53^10(V/s)UC3843的斜率補(bǔ)償，對于下圖電路，補(bǔ)償斜率2.3.2帶隔離和電壓前饋的電壓型CCM(LM5025)RT/CTR152mU3L：L：h..tTPARAMETERSv?1詭c2.53^10n=fifs=280kR=luukC=47upLM5025-1V6對應(yīng)于芯片內(nèi)部反饋信號的1V壓降，R、C為產(chǎn)生鋸齒波的參數(shù)。2.3.3準(zhǔn)諧振反激電路(UCC28600)

31睥c_31睥c_UCC28600有時(shí)候用DC掃描來找靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，往往不收斂，此時(shí)可以預(yù)先算出Vc值，然后用偏置點(diǎn)掃描（biaspoint）來得到靜態(tài)工作點(diǎn)。為改善收斂性，可以在關(guān)鍵點(diǎn)加NOTESET或IC，兩者的區(qū)別是：NOTESET只是給定某點(diǎn)地初始電壓，在偏置點(diǎn)掃描后，該點(diǎn)電壓可能會變化。IC是將某點(diǎn)電壓固定住，偏置點(diǎn)掃描后保持不變。上圖中Rs是原邊檢流電阻，eff是電源效率，Ctot是MOS管的DS端電容。按準(zhǔn)諧振反激電路的特點(diǎn)，占空比d、原邊電流峰值Ip、開關(guān)頻率fs都由模型算出，不用給定。3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1基本理論信息來源：常用的開關(guān)電壓電源未補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)傳遞函數(shù)Tu可分為單極點(diǎn)和雙極點(diǎn)兩種，對于單極點(diǎn)一般采用PI（比例積分）補(bǔ)償，雙極點(diǎn)一般采用PID（比例積分微分）補(bǔ)償。也可以大致理解為電流型控制的采用PI補(bǔ)償，電壓型控制的采用PID補(bǔ)償。PI補(bǔ)償可以用如下電路實(shí)現(xiàn):WL=1/(R2C2)Wp=1/(R2C1)Gc=R2/R1(C2>>C1)Gc是比例因子。零點(diǎn)WL