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1、开关电源电路的设计及仿真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。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。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：电流型
2、控制的电源其Tu 是单极点，以非隔离的BUCK 为例，形式为：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。2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu2.1开关平均模型开关电源的各个量经平均处理后，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(Time Transient Analysis)。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。以下是几个开关电源的平均模型
3、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。连续模式 BUCK)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 。断续模式 BUCK)按以上方法得到Tu ，在 DCM 下， Tu 变成单极点函数。模型CCM-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 。连续模式 BOOST)可以用模型搭建各种电路，如连续模式BOOST 。此处采用 CCM-DCM 模型可能仿真不收敛，为使仿真
4、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 。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 。2.2受反馈电压控制的仿真实际电路中，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：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。电流型控制中d 的产生方式如下：同上， Vc 是反馈回路的输出电压。IL感电流，在Flyback中是变压器原边电流。d 及 d2 是输出变量。是用于产生锯齿波的电流信号，例如在 BUCK 电路中是输出电 V1
5、 是使电流上升的电压， V2 是使电流下降时的电压。占空比至此，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。电压型控制的CCM BUCK上述几个例子中加入GAIN就变成电压型控制的仿真电路了。电流型控制的CCM BUCK电流互感器将输出电感的电流信号变成电压信号IL ，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
6、，fs是开关频率。带变压器隔离的电流型BUCK电路由于电路带变压器，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。带变压器隔离的电流型CCM(UC3843)UC3843-1UC3843 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
7、。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)。UC3843 的斜率补偿，对于下图电路，补偿斜率(V/s)带隔离和电压前馈的电压型CCM(LM5025)LM5025-1V6 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。准谐振反激电路(UCC28600)UCC28600有时候用DC扫描来找静态工作点时，往往不收敛，此时可以预先算出Vc值，然后用偏置点扫描(biaspoint)来得到静态工作点。为改善收敛性，可以在关键点加NOTESET或IC ，两者的区别是：NOTESET只是给定某点地初始电压，在偏置点扫描后，该点
8、电压可能会变化。IC是将某点电压固定住，偏置点扫描后保持不变。上图中Rs 是原边检流电阻，eff 是电源效率， Ctot是 MOS 管的 DS 端电容。按准谐振反激电路的特点，占空比d 、原边电流峰值Ip 、开关频率fs 都由模型算出，不用给定。3 补偿网络设计3.1基本理论信息来源:PI(常用的开关电压电源未补偿的开环传递函数 Tu 可分为单极点和双极点两种，对于单极点一般采用比例积分 ) 补偿，双极点一般采用 PID( 比例积分微分 ) 补偿。也可以大致理解为电流型控制的采用PI补偿，电压型控制的采用PID补偿。PI 补偿可以用如下电路实现：WL=1/(R2C2) Wp=1/(R2C1) Gc=R2/R1 (C2>>C1)Gc是比例因子。零点WL引入积分，当频率小于WL ，增益增加，直流增益提高，意味着稳压精度提高。极点Wp使高频的干扰信号迅速衰减。需要注意的是上面的等式是在实际选择反馈参数时要注意满足这个条件。PID 补偿可以采用如下方式：C2>>C1的假设下得到的，若 R1>>R3， C2>>C1，有：