開關電源的環路設計及仿真

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:輸配電設備網

　　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

　　開關電源的各個量經平均處理后，去掉高頻開關分量，得到低頻(包括直流)的分量。開關電源的建模、靜態工作點、反饋設計、動態分析等都是基于平均模型基礎之上的。若要得到實際的工作波形，應按實際電路進行時域仿真(Time Transient Analysis)。

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　　將開關電路中的開關器件經平均化處理后，就得到開關平均模型，用開關平均模型可以搭建各種電路。

　　以下是幾個開關電源的平均模型仿真例子，從電路波形中看不到開關量，只是平均量，比如電感中流過的電流是實際電感中的電流平均值，電容兩端的電壓是實際電容兩端電壓的平均值等等。

　　2.1.1 CCM BUCK(連續模式BUCK)　

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　　先直流掃描Vc，得到所需的輸出電壓，即得到了電路的靜態工作點。然后交流掃描，得到Tu的Bode圖。Tu為雙極點。此處Vc等同于占空比d。 信息請登陸:輸配電設備網

　　2.1.2 DCM BUCK(斷續模式BUCK)　

　　按以上方法得到Tu，在DCM下，Tu變成單極點函數。模型CCM-DCM即可用于連續模式，也可用于斷續模式。此處Vc仍等同于占空比d。

　　2.1.3 CCM BOOST(連續模式BOOST)

　　可以用模型搭建各種電路，如連續模式BOOST。　　 信息來源:http://tede.cn

　　2.1.4 Flyback　　

　　n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。 信息請登陸:輸配電設備網

　　2.2 受反饋電壓控制的仿真

　　實際電路中，占空比d的產生主要有兩種方法：電壓控制和電流控制。仿真時，電壓控制中d的產生方式如下： 信息來源:http://tede.cn

　　Vc是反饋回路的輸出電壓，GAIN的放大倍數等于鋸齒波幅值的倒數，若鋸齒波幅值為Vm，則GAIN=1/Vm。

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　　電流型控制中d的產生方式如下：

　　同上，Vc是反饋回路的輸出電壓;IL是用于產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是使電流下降時的電壓;占空比d及d2是輸出變量。 信息來源:http://tede.cn

　　至此，我們可以得到控制電壓Vc到輸出電壓Vo的傳遞函數Tu。下面是幾個仿真Tu的例子。

　　2.2.1 電壓型控制的CCM BUCK

　　上述幾個例子中加入GAIN就變成電壓型控制的仿真電路了。

　　2.2.2 電流型控制的CCM BUCK 信息來源:http://tede.cn

　　電流互感器將輸出電感的電流信號變成電壓信號IL，產生鋸齒波，模型CPM將控制電壓Vc與鋸齒波比較產生占空比d的PWM波。MOS開通時，L1中的電流上升，使其電流上升的電壓V1是Vg-Vo;Mos關斷時，Vo加在L1上，使其電流下降的低電壓V2=Vo。參數Rs是檢流電阻，mva是斜坡補償的斜率，單位是V/S，L是輸出電感，fs是開關頻率。

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2.2.3 帶變壓器隔離的電流型BUCK電路　

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