开关电源的环路设计及仿真

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。 开关电源的环路设计与仿真是一项关键的技术环节，它直接影响着电源系统的稳定性和效率。开关电源的核心在于通过控制电压Vc来调整输出电压Vo，这一过程通常涉及到比较Vc与锯齿波信号，生成脉宽调制（PWM）波形。根据锯齿波的生成方式，开关电源分为电压型控制和电流型控制。 电压型控制的开关电源，如使用LM5025芯片，其锯齿波由内部产生。而电流型控制，如UC3843，锯齿波来源于输出电感电流转换的电压。对于反激电路，变压器原边绕组的电流被用来产生这个锯齿波。输出电压Vo与控制电压Vc的比值定义为未补偿的开环传递函数Tu，它在频率响应分析中以Bode图的形式展现。 电压型控制的电源，如非隔离的BUCK电路，其Tu具有双极点特性；而电流型控制的电源，如同样是非隔离的BUCK电路，Tu则表现为单极点。不同电路的Tu可以通过参考相关资料获取。 在计算机仿真环节，开关电源的建模和分析基于开关平均模型，该模型忽略了高频开关分量，仅保留低频分量。例如，CCM（连续导电模式）BUCK电路中，通过直流扫描确定静态工作点，交流扫描则得到Tu的Bode图。在DCM（断续导电模式）BUCK中，Tu变为单极点函数。类似地，CCM BOOST电路和带变压器隔离的电流型电路，如BUCK电路，也需要采用相应的模型进行仿真，以确保计算的准确性。 在实际电路中，控制占空比d的方法有电压控制和电流控制。电压控制通过GAIN放大器，其放大倍数等于锯齿波幅值的倒数。电流控制则是利用电流互感器将输出电感电流转换为电压信号，然后通过比较产生PWM波形。 举例来说，电压型控制的CCM BUCK和电流型控制的CCM BUCK，它们的仿真电路分别加入了GAIN和电流互感器，以实现对Vc到Vo的传递函数Tu的仿真。带变压器隔离的电流型电路，如使用UC3843，其内部运放和反馈回路共同作用产生控制电压Vc，且需要考虑变压器变比和斜坡补偿。 开关电源的环路设计和仿真是一门深奥的学问，涉及到电路原理、控制策略和信号处理等多个方面。通过精确的建模和仿真，设计者能够优化电源性能，确保系统在各种工况下的稳定运行。