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Mathcad在推挽式开关电源设计中的应用

发布日期:2022-05-10 03:52   来源:未知   阅读:

  对电源系统的稳定性、可靠性起着决定作用,因此如何设计出合理可靠的补偿参数十分重要。运用式开关电源补偿电路元件的参数,仿真出开关电源系统的幅频和相频曲线波特图,通过优化设计

  随着电子设备小型化、智能化和大量数字电路的引入,对开关电源系统的稳定性及可靠性提出了更高的要求,而环路补偿对电源系统的稳定性、可靠性起着决定作用。因此,必须了解电源系统环路的稳定性、相位裕度、增益裕度,有的放矢,通过明确的计算和仿真设计出的产品才是科学的、合理的、可靠的[1]。近年来,推挽式开关电源以其工作效率高、输出电流瞬态响应速度快、输出电压纹波系数小、驱动电路简单等优点,在通信电源、工业电源、汽车电源等领域中得到了越来越广泛的应用[2]。本文介绍常用补偿电路,并借助辅助软件Mathcad计算了推挽式开关电源电路的环路补偿参数。本文仿真计算过程很详细,具有非常好的参考价值和实用意义。

  作者简介:张立帮(1972-),男,湖北随州人,工程师,主要从事电力电子及开关电源方面研究。Email: 。

  Mathcad 是美国PTC公司的一套工程计算数学软件,允许设计者利用详尽的应用数学函数和动态、可感知单位计算,同时设计和记录工程计算。Mathcad 能进行数值运算、符号运算和带单位的运算,集计算(数值计算和符号计算)、图形能力、编程和文字处理于一体,是工程技术人员不可多得的工具软件。

  根据奈奎斯特准则,开关电源开环传递函数的波特图可用于评价开关电源闭环的稳定性。从开环波特图看,系统稳定性有以下要求:①环路增益为1 时( 0 dB ),该点的频率称为穿越频率。环路在穿越频率的相移小于 −180°,或者说当相移达到 −180° 时,环路增益小于 1,系统就是稳定的。②相移为 −180° 时,环路增益与0 dB 的差称为增益裕度。好的设计至少要确保10 ~ 15 dB 裕度,以处理由于加载条件、组件离散性、环境温度等因素引起的增益变化[3]。③穿越频率点的相位与 −180° 之间的相位差称为相位裕度。通常,绝对值最小为45° ,一个可靠的设计,其相位裕度约为70° ~ 90°,这样可提供良好的稳定性和快速无振铃瞬态响应[3]。

  如果环路不进行频率补偿,系统稳定裕量很小,实际电路很难稳定。通常有以下几种典型电路补偿方法。

  推挽式开关电源的电路原理图如图4 所示,其主要技术指标为:输入直流电压27 V ,输出直流电压12 V ,输出直流电流1 A ,工作频率250 kHz 。

  推挽电路属于Buck 电路,采用电压模式控制时,输出滤波器会有一个二阶极点,造成比较大的相位滞后。该极点的频率大约是L4 和E4、E5 的谐振频率2 kHz左右,环路补偿的方法是设置一个在该极点附近的零点,利用零点的相位超前,抵消一部分二阶极点的相位滞后。通常设置在比极点频率高一些的频率,保守一点,本案中选择4 kHz 。该零点可由R15 和C9 实现,R15 的取值由电路的静态工作点和中频增益决定。实现超前补偿后,为了提升直流增益,还要设置1 个零频极点,由C8 实现。为了不影响中频段和穿越频率的相位,C8 与R16 形成的零点频率要远低于穿越频率,一般低于滤波器谐振频率,本案中保守一点,选择零点频率为200 Hz 。实现了超前和滞后补偿,还有ESR 问题,本案中因选用瓷介电容,ESR 很小,可以不考虑ESR 问题。环路主要的零极点设置就完成了,剩下只考虑噪声滤波就可以了,可由C10、C11 实现。为了不影响穿越频率的相位,C10、C11(在信号上两者是并联关系)与R14 形成的极点频率应远离穿越频率。假定穿越频率是几kHz ,那么滤波器极点频率可以取几十kHz ,本案中选择50 kHz 。零极点配置完成后,可以看一下环路的波特图,看看相位补偿的效果,以及是否需要调整中频。

  在Mathcad 的工作单中, 输入过程如下:在空白区中选择适当的位置,单击后,光标变成十字形;按键盘冒号键获得赋值等于号“ : = ”,输入变量参数。另外,为了阅读方便,可同时加入文本文件。计算步骤如下:

  相频曲线)计算穿越频率、相位裕度和增益裕度设穿越频率为fc ,并根据波特图给定其初值:

  本文以上述设计参数实现的一台推挽式开关电源为例,其测量波形与数据如图8 所示。

  动态响应速度很快,过冲小,振荡少。当电子负载在满载和半载之间跃变时,开关电源输出动态响应

  针对电压型推挽式开关电源,通过Mathcad 分析系统的幅频和相频特性,优化设计补偿电路,折中设计系统的穿越频率和相位裕度,改善了推挽式开关电源的稳定性和动态性能。参考文献: