開關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計(jì)及仿真（一）

1、開關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計(jì)及仿真（一）                        論文關(guān)鍵詞：開關(guān)電源環(huán)路設(shè)計(jì)仿真Pspice平均模型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(hào)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

2、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(duì)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/Vc。一般按頻率的變化來反映Tu的變化，即Bode圖。電壓型控制的電源其Tu是雙極點(diǎn)，以非隔離的BUCK為例，形式為： 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

3、，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(dòng)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（Time Transient Analysis）。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。2.1.1 CCM BUCK（連續(xù)模式BUCK）先直流掃描Vc，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Tu的B

4、ode圖。Tu為雙極點(diǎn)。此處Vc等同于占空比d。2.1.2 DCM BUCK（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。2.1.3 CCM BOOST（連續(xù)模式BOOST）可以用模型搭建各種電路，如連續(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(duì)應(yīng)模型。此處Vc也等同于占空比d。2.1.4 Flybackn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

5、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)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。電流型控制中d的產(chǎn)生方式如下：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(hào)，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CCM BUCK上述幾個(gè)例子中加入GAIN就變成電壓型控制的仿真

6、電路了。2.2.2 電流型控制的CCM BUCK                             電流互感器將輸出電感的電流信號(hào)變成電壓信號(hào)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

7、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?cè)诠ぷ髦薪?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）UC3843-1UC384

8、3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(duì)于如下的采樣電路，Rs=R/n，n是電流互感器的匝比（n:1）。UC3843的斜率補(bǔ)償，對(duì)于下圖電路，補(bǔ)償斜率   (V/s)2.3.2       帶隔離和電壓前饋的電壓型CCM（LM5025）LM5025-1V6對(duì)應(yīng)于芯片內(nèi)部反饋信號(hào)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)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（bias point）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(huì)變化；IC是將某點(diǎn)電壓固定住，偏置點(diǎn)掃描后保持