雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路的SABER仿真設(shè)計
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)斷時也不會出現(xiàn)漏感尖峰,加上結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高,在高輸入電壓的中、大功率場合得到廣泛的應(yīng)用。
在開關(guān)電源的設(shè)計過程中,控制環(huán)路設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。對于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,求出小信號模型,來設(shè)計控制環(huán)路。此方法計算量大,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和更精確的仿真描述能力,真實性更好。特別是在電源領(lǐng)域的先天優(yōu)勢,借助其強大的仿真功能縮短電源產(chǎn)品的上市時間。目前,用SABER軟件設(shè)計控制環(huán)路尚不多見,基于此,提出用SABER仿真設(shè)計雙管正激參數(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同時導(dǎo)通,同時關(guān)斷;VT1與VT2導(dǎo)通時,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,輸出電流由快恢復(fù)二極管VD4續(xù)流,同時變壓器原邊繞組的勵磁電流經(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,變壓器無需磁通復(fù)位繞組,適用于較高輸入電壓的中、大功率等級場合。
2 控制環(huán)路的設(shè)計方法
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)計步驟:
(1)根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計主電路。
(2)由SABER仿真器得出主電路的BODE圖。
(3)根據(jù)實際要求和限制條件確定剪切頻率ωc,對電源產(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償放大器的類型和各頻率點。使低頻段增益高,一般電源產(chǎn)品的低頻段設(shè)計成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得出補償后環(huán)路的開環(huán)頻響曲線,驗證系統(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,補償器應(yīng)根據(jù)輸出濾波參數(shù)進行調(diào)整。本文以一臺250W電源實例說明控制環(huán)路的設(shè)計。
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,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,進入電流斷續(xù)模式。
為防止變換器進入斷續(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[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)通時間的一半時,輸出紋波僅由ESR(Ro)決定。
此方法隨技術(shù)的進步變得不合實際,最好從廠家或測試得到電容的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(1/2πRest×C)較高,但對環(huán)路設(shè)計的影響不大;若低ESR值的電容采用大容量,其自身阻容形成的零點使得在帶寬附近的高頻衰減不夠,可能引起振蕩,增加補償器的設(shè)計難度。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,紋波電壓會增加。
4 使用SABER對開環(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):
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)計補償器
雙管正激補償器采用2型誤差放大器電路。如圖7所示。
其傳遞函數(shù)為:
一個零點fz=1/2πR2C1,一個極點fp=1/2πR2C2;設(shè)計時,將剪切頻率設(shè)為1/4開關(guān)頻率;零點頻率設(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,因此:
計算結(jié)果,選用國標(biāo)系列值:
使用SABER得出補償后的開環(huán)BODE圖如圖8所示,注意在SABER進行小信號分析前,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進行時域分析,觀察輸入電壓與負(fù)載擾動時的系統(tǒng)性能,見圖9和圖10。
6 結(jié)束語
通過SABER軟件的輔助設(shè)計,縮短了電源產(chǎn)品的上市時間,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。