开关电源电路的设计及仿真.doc

螄开关电源电路的设计及仿真膃1 基本理论螈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。衿输出电压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。膄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:薁螁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:衿薅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。芃薀 2计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu罿 ,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(TimeTransientAnalysis)。荿聿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,用开关平均模型可以搭建各种电路。肃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。蒃肈 (连续模式BUCK) 膈蒄袁先直流扫描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。膁 (断续模式BUCK) 芈袅按以上方法得到Tu,在DCM下,Tu变成单极点函数。M-DCM即可用于连续模式,也可用于断续模式。此处Vc仍等同于占空比d。蚃袀莈 (连续模式BOOST)芆肁虿可以用模型搭建各种电路,如连续模式BOOST。蒈莃 M-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。螂 蒇蒈螃n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。,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:薈 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/Vm。膄羂电流型控制中d的产生方式如下:艿蚈薅同上,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。蒀至此,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。肈螇 。袇 ,产生锯齿波,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。,M-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。肇 ,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。肄莈 (UC3843)肇莆蒁 UC3843-1莁 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。***蒂膃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)。腿芇 UC3843的斜率补偿,对于下图电路,补偿斜率(V/s) 袃蚁 (LM5025)羈莇芄莃LM5025-1羁 V6对应于芯片内部反馈信号的1V压降,R、C为产生锯齿波的参数。(UCC28600)蚅袁螀薆肆 UCC28600薃有时候用DC扫描来找静态工作点