《電子技術(shù)應(yīng)用》
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雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路的SABER仿真設(shè)計(jì)
謝華林,楊金明
摘要: SABER與其他仿真軟件相比,,具有更豐富的元件庫(kù)和更精確的仿真描述能力,真實(shí)性更好,。特別是在電源領(lǐng)域的先天優(yōu)勢(shì),,借助其強(qiáng)大的仿真功能縮短電源產(chǎn)品的上市時(shí)間,。目前,用SABER軟件設(shè)計(jì)控制環(huán)路尚不多見,基于此,,提出用SABER仿真設(shè)計(jì)雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路,。
Abstract:
Key words :

引言

  雙管正激變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸入電壓,關(guān)斷時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)漏感尖峰,,加上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、可靠性高,在高輸入電壓的中,、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用,。

  在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中,控制環(huán)路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定與否,。對(duì)于PWM變換器的控制環(huán)路,,傳統(tǒng)的方法使用狀態(tài)空間平均法,求出小信號(hào)模型,,來設(shè)計(jì)控制環(huán)路,。此方法計(jì)算量大,效率低,,不利于工程應(yīng)用,。

  SABER與其他仿真軟件相比,具有更豐富的元件庫(kù)和更精確的仿真描述能力,,真實(shí)性更好,。特別是在電源領(lǐng)域的先天優(yōu)勢(shì),借助其強(qiáng)大的仿真功能縮短電源產(chǎn)品的上市時(shí)間,。目前,,用SABER軟件設(shè)計(jì)控制環(huán)路尚不多見,基于此,,提出用SABER仿真設(shè)計(jì)雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路,。

  1 電路結(jié)構(gòu)

  雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,工作原理為:VT1,、VT2同時(shí)導(dǎo)通,,同時(shí)關(guān)斷;VT1與VT2導(dǎo)通時(shí),電源經(jīng)高頻變壓器T,,快恢復(fù)二極管VD3向負(fù)載輸出能量,,經(jīng)L給C充電;VT1與VT2關(guān)斷時(shí),輸出電流由快恢復(fù)二極管VD4續(xù)流,,同時(shí)變壓器原邊繞組的勵(lì)磁電流經(jīng)VD1-UiN-VD2向電源反饋能量,。由于VD1與VD2的箝位,VT1與VT2的開關(guān)應(yīng)力等于電源電壓,。與單管正激電路相比,,多用一個(gè)開關(guān)管,,電壓應(yīng)力為單管的一半,不存在漏感尖峰,,變壓器無(wú)需磁通復(fù)位繞組,,適用于較高輸入電壓的中、大功率等級(jí)場(chǎng)合,。

  

雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

  2 控制環(huán)路的設(shè)計(jì)方法

  系統(tǒng)穩(wěn)定的條件:系統(tǒng)回路開環(huán)BODE圖,,在剪切頻率處幅值斜率為-20dB/dec,且至少有45°的相位裕度,。

  控制環(huán)路的設(shè)計(jì)步驟:

  (1)根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)主電路,。

  (2)由SABER仿真器得出主電路的BODE圖。

  (3)根據(jù)實(shí)際要求和限制條件確定剪切頻率ωc,,對(duì)電源產(chǎn)品,,剪切頻率通常為開關(guān)頻率的1/4或者1/5。

  (4)根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求及剪切頻率決定補(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn),。使低頻段增益高,,一般電源產(chǎn)品的低頻段設(shè)計(jì)成I型系統(tǒng),以保證穩(wěn)態(tài)精度;中頻段帶寬處的斜率為-20dB/dec,,且有足夠的相位裕度(即y>45°);高頻段增益衰減快,,減少高頻干擾;用SABER得出補(bǔ)償后環(huán)路的開環(huán)頻響曲線,驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

  3 主電路參數(shù)設(shè)置

  由于主電路輸出濾波器參數(shù)關(guān)系到控制環(huán)路的設(shè)置,,補(bǔ)償器應(yīng)根據(jù)輸出濾波參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本文以一臺(tái)250W電源實(shí)例說明控制環(huán)路的設(shè)計(jì),。

  1)主要技術(shù)要求

  輸入:AC220V(DC=265V(220~310V))

  輸出:48V 0.5~5A;

  波紋電壓:0.1V; 波紋電流:1A;

  效率:≥0.85;開關(guān)頻率:100kHz;

  變壓器原副邊比n=2;Uout=48.85V(二極管); 占空比:

  2)輸出濾波參數(shù)

  輸出濾波器按照要求的紋波電流與紋波電壓值來設(shè)計(jì),紋波電流決定電感值,,紋波電流與紋波電壓共同決定電容值,。

  (1)濾波電感

  流經(jīng)濾波電感電流波形如圖2所示,紋波電流峰峰值取決于允許的最小電流值,,當(dāng)負(fù)載電流小于0.5A時(shí),,進(jìn)入電流斷續(xù)模式。

  為防止變換器進(jìn)入斷續(xù)模式,,在Toff期間,,流經(jīng)L的電流不能降到零。

  

 

  

(2)濾波電容

 

  濾波電容的容量分以下兩種情況討論:

 ?、俨捎闷胀ǖ匿X電解電容,,根據(jù)文獻(xiàn)[3],此類電容在開關(guān)頻率低于500kHz,,且RoCo大于開關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)間的一半時(shí),,輸出紋波僅由ESR(Ro)決定。

  

 

  此方法隨技術(shù)的進(jìn)步變得不合實(shí)際,最好從廠家或測(cè)試得到電容的ESR值,。

 ?、跒V波電容采用零ESR或低ESR電容,自身阻容形成的零點(diǎn)(1/2πRest×C)較高,,但對(duì)環(huán)路設(shè)計(jì)的影響不大;若低ESR值的電容采用大容量,,其自身阻容形成的零點(diǎn)使得在帶寬附近的高頻衰減不夠,可能引起振蕩,,增加補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度,。如圖3、圖4所示,。

  

 

  考慮電容的發(fā)熱影響壽命,,取22μF。

  電容的ESR值的最大值為

  ESR(max)=△U/△I=0.1/l=0.1 Ω

  ESR超過0.1Ω,,紋波電壓會(huì)增加,。

  

 

  4 使用SABER對(duì)開環(huán)仿真

  在SABER中建立平均模式雙管正激的模型,如圖5所示,。

  下表為圖5模型使用的主要模塊及參數(shù):

  

 

  

SABER中建立平均模式雙管正激的模型開環(huán)BODE圖如圖6所示,,其剪切頻率處的相角為-160°,相位裕度為20°,,又剪切頻率處的幅值斜率為-40dB/dec,,因此需要補(bǔ)償。另外25kHz(1/4開關(guān)頻率)處的幅值為-35.5dB,。

 

  

  5 根據(jù)開環(huán)BODE圖設(shè)計(jì)補(bǔ)償器

  雙管正激補(bǔ)償器采用2型誤差放大器電路,。如圖7所示。

  其傳遞函數(shù)為:

  

 

  

 

  一個(gè)零點(diǎn)fz=1/2πR2C1,,一個(gè)極點(diǎn)fp=1/2πR2C2;設(shè)計(jì)時(shí),,將剪切頻率設(shè)為1/4開關(guān)頻率;零點(diǎn)頻率設(shè)為1/4濾波器諧振頻率,增加中頻段相位裕度;極點(diǎn)頻率設(shè)為濾波電容自身容阻頻率,,增加高頻段的衰減,。R2/R1設(shè)為1/4開關(guān)頻率處的負(fù)增益;RS1,RS2按照采樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),,因此:

  

 

  計(jì)算結(jié)果,,選用國(guó)標(biāo)系列值:

  

 

  使用SABER得出補(bǔ)償后的開環(huán)BODE圖如圖8所示,注意在SABER進(jìn)行小信號(hào)分析前,,需微調(diào)占空比參考電壓,,使比較器反相輸入端靜態(tài)工作點(diǎn)在5V,否則可能飽和,。

  可見,,系統(tǒng)已校正為I型,,剪切頻率為25kHz,幅值斜率為-20dB/dec,,相位裕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于45°,。

  

用SABER進(jìn)行時(shí)域分析,觀察輸入電壓與負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)性能,,見圖9和圖10,。

 

  

 

  6 結(jié)束語(yǔ)

  通過SABER軟件的輔助設(shè)計(jì),縮短了電源產(chǎn)品的上市時(shí)間,,提高了產(chǎn)品的控制性能的快速性,,穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。

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