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開關(guān)電源的小信號(hào)模型及環(huán)路設(shè)計(jì)
摘要:建立了Buck電路在連續(xù)電流模式下的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)穩(wěn)定性原則分析了電壓模式和電流模式控制下的環(huán)路設(shè)計(jì)問題。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;小信號(hào)模型;電壓模式控制;電流模式控制
引言
設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的開關(guān)電源時(shí),控制環(huán)路的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)部分。而環(huán)路的設(shè)計(jì)與主電路的拓?fù)浜蛥?shù)有極大關(guān)系。為了進(jìn)行穩(wěn)定性分析,有必要建立開關(guān)電源完整的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。在頻域模型下,波特圖提供了一種簡單方便的工程分析方法,可用來進(jìn)行環(huán)路增益的計(jì)算和穩(wěn)定性分析。由于開關(guān)電源本質(zhì)上是一個(gè)非線性的控制對(duì)象,因此,用解析的辦法建模只能近似建立其在穩(wěn)態(tài)時(shí)的小信號(hào)擾動(dòng)模型,而用該模型來解釋大范圍的擾動(dòng)(例如啟動(dòng)過程和負(fù)載劇烈變化過程)并不完全準(zhǔn)確。好在開關(guān)電源一般工作在穩(wěn)態(tài),實(shí)踐表明,依據(jù)小信號(hào)擾動(dòng)模型設(shè)計(jì)出的控制電路,配合軟啟動(dòng)電路、限流電路、鉗位電路和其他輔助部分后,完全能使開關(guān)電源的性能滿足要求。開關(guān)電源一般采用Buck電路,工作在定頻PWM控制方式,本文以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。采用其他拓?fù)涞拈_關(guān)電源分析方法類似。
1 Buck電路電感電流連續(xù)時(shí)的小信號(hào)模型
圖1為典型的Buck電路,為了簡化分析,假定功率開關(guān)管S和D1為理想開關(guān),濾波電感L為理想電感(電阻為0),電路工作在連續(xù)電流模式(CCM)下。Re為濾波電容C的等效串聯(lián)電阻,Ro為負(fù)載電阻。各狀態(tài)變量的正方向定義如圖1中所示。
S導(dǎo)通時(shí),對(duì)電感列狀態(tài)方程有
L(dil/dt)=Uin-Uo (1)
S斷開,D1續(xù)流導(dǎo)通時(shí),狀態(tài)方程變?yōu)?/p>
L(dil/dt)=-Uo (2)
占空比為D時(shí),一個(gè)開關(guān)周期過程中,式(1)及式(2)分別持續(xù)了DTs和(1-D)Ts的時(shí)間(Ts為開關(guān)周期),因此,一個(gè)周期內(nèi)電感的平均狀態(tài)方程為
L(dil/dt)=D(Uin-Uo)+(1-D)(-Uo)=DUin-Uo (3)
穩(wěn)態(tài)時(shí),=0,則DUin=Uo。這說明穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓是一個(gè)常數(shù),其大小與占空比D和輸入電壓Uin成正比。
由于電路各狀態(tài)變量總是圍繞穩(wěn)態(tài)值波動(dòng),因此,由式(3)得
L[d(il+il')/dt]=(D+d)(Uin+Uin')-(Uo+Uo') (4)
式(4)由式(3)的穩(wěn)態(tài)值加小信號(hào)波動(dòng)值形成。上標(biāo)為波浪符的量為波動(dòng)量,d為D的波動(dòng)量。式(4)減式(3)并略去了兩個(gè)波動(dòng)量的乘積項(xiàng)得
L(dil'/dt)=DUin'+dUin-Uo'&nb
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