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。
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