反激式变换器环路分析与建模
反激开关电源环路设计实例
反激开关电源环路设计实例
反激开关电源环路设计实例指的是在实际的电路设计过程中，使用反激开关电源技术的具体设计和实现过程。
具体来说，反激开关电源环路设计实例包括以下几个方面：
1.反激变压器设计：例如，需要考虑输入输出电压、功率容量、磁芯材料和
尺寸等因素，以及变压器的匝数比、绕组结构、漏感和分布电容等参数。
2.开关管和整流管的选择：需要根据电路的功率容量和电压等级，选择合适
的开关管和整流管，考虑其耐压、电流容量、开关速度等参数。
3.控制环路设计：例如，可以选择合适的控制芯片和控制算法，同时考虑控
制环路的稳定性、抗干扰能力和动态响应速度等。
4.滤波电路设计：根据实际情况选择合适的滤波元件和滤波电路结构，以满
足电源性能要求。
5.保护电路设计：例如，可以选择合适的保护元件和保护电路结构，以实现
过流、过压、欠压等保护功能。
在实际应用中，需要根据实际情况选择合适的电路结构和参数，以满足电源的性能和可靠性要求。
总结：反激开关电源环路设计实例指的是在实际的电路设计过程中，使用反激开关电源技术的具体设计和实现过程。
这包括反激变压器设计、开关管和整流管的选择、控制环路设计、滤波电路设计和保护电路设计等方面。
这些实例可以帮助工程师更好地理解和应用反激开关电源技术，提高电源的性能和可靠性。
开关环路设计与计算
开关电源系统基本组成部分(Voltage Mode PWM System)开关电源环路分析和设计流程开关电源环路的小信号传函FlybackTL431Power StageFlyback PWM Stage右半平面零点PWM Stage()t d)+考虑斜率补偿后的考虑斜率补偿后的考虑斜率补偿后的考虑斜率补偿后的考虑斜率补偿后的DCM模式下电流模式与电压模式的直观理解()(O V D V D =−−1()(v d V V vI L 1ˆˆˆ−−+=()D I I L O −=1dI i L O ˆˆ−=电压模式的信号流程图(siˆ电流模式的信号流程图零极点对环路稳定性的影响及环路带宽选择标准环路的补偿方法把控制带宽拉低，在功率部分或加有其他补偿的部分相位达环路的补偿方法常用的补偿方式.补偿网络产生一个s=0(DC)极点，而且通常所以补偿网络需补偿网络的高频极点抵消输出滤波电容的ESR零点。
环路的补偿方法复杂，适用于输出带LC滤波的拓扑结构中.补偿网络产生一个s=0(DC)极点，以及两个零点和两个极点，反激变换器反馈回路的设计采用补偿方法Power Stage GainOB2263 控制芯片内部模块图OB2263OB2263基于OB2263的基于OB2263的基于OB2263的基于OB2263的5) 确定EA补偿网络的零点和极点的位置基于OB2263的基于OB2263的附录: 431及其补偿网络传函的推导6KR I v ⋅−=Thank you Any Questions？。
反激开关电源设计之环路分析
反激开关电源设计之环路分析频域分析是开关变换器的设计难点，困扰着不少电源工程师，芯朋微技术团队从工程应用、理论建模和软件仿真三方面入手，结合最新的反馈控制技术，为大家揭开反激开关电源频域分析设计的神秘面纱！1SSR与PSR架构对比SSR直接采样输出电压，无静差控制；PSR采样供电绕组，估算输出电压，有静差控制。
SSR对变压器工艺要求不高；PSR对变压器工艺要求高，通常需要R3减小漏感振荡和R2加速断开VDD回路。
SSR环路补偿器外置；PSR环路补偿器集成于芯片。
SSR环路不稳通常由环路补偿器设置不当引起；PSR环路不稳通常由采样引起。
2闭环系统稳定条件闭环系统稳定的条件是开环传递函数T cPvK不为-1，在伯德图上定义了相位裕量和增益裕量来判断稳定性。
3稳定性判断方法建模法利用状态空间平均法或电路平均法推导出系统各个环节的传递函数，用相关软件绘出开环传递函数的Bode图。
仿真法利用仿真软件的AC Sweep功能，扫描出开环传递函数的Bode图。
测量法利用频率响应分析仪在电源反馈回路注入不同频率信号调制变换器，并获取电源输出端的响应信号，从而测量出开环传递函数的Bode图。
4控制对象建模 PWM调制PWM控制：固定开关频率，调整导通占空比控制输出电压。
功率管的开通时刻由内部时钟决定，当Ip电流等于参考电流Ipref(电压环产生)时关断功率管。
利用平均法可推导出控制对象传递函数：CCM控制对象PvDCM控制对象PvPFM调制PFM控制：固定Ipref，调整开关频率控制输出电压。
利用电路平均法可推导出控制对象传递函数：DCM控制对象5环路补偿器6SSR与PSR稳定性对比SSR由于环路补偿器外置，且采样环节工作在线性区，可通过FRA法，准确得到开环传递函数Bode图；PSR由于环路控制器集成，且反馈回路工作在强非线性区(脉冲采样变压器辅助绕组，估算输出电压)，FRA法不再适用。
SSR控制对象只有90度相移(忽略高频右半平面零点)，但叠加环路补偿器的纯积分的90度相移，存在不稳定可能(-180度)，需靠合理设计零点来提升相位裕量和增益裕量；PSR环路补偿器由于没有纯积分，开环传递函数达不到180度相移，不存在环路上的不稳定情况(假定芯片内置极点合理)。
单端反激变换器的建模及应用仿真
单端反激变换器的建模及应用仿真摘要：本课程设计的目的是对直—直变换电路中常用的带隔离的Flyback电路（反激电路）进行电路分析、建模并利用Matlab/Simulink软件进行仿真。
首先是理解分析电路原理，以元件初值为起点，用simulink软件画出电路的模型、并且对电路进行仿真，得出仿真波形。
在仿真过程中逐步修正参数值，使得仿真波形合乎要求，并进行电流连续、断续模式与电路带载特性的分析。
关键词：单端反激变换器Matlab/Simulink建模与仿真二、反激变换器的基本工作原理1.基本工作原理（1）当开关管导通时，变压器原边电感电流开始上升，此时由于次级同名端的关系，输出二极管VD截止，变压器储存能量，负载由输出电容C提供能量，拓扑电路如下图。
图2-1开关管导通时原理图为防止负载电流较大时磁心饱和，反激变换器的变压器磁心要加气隙，降低了磁心的导磁率，这种变压器的设计是比较复杂的。
（2）当开关管截止时，变压器原边电感感应电压反向，此时输出二极管导通，变压器中的能量经由输出二极管向负载供电，同时对电容充电，补充刚刚损失的能量，原理图如下图。
图2-2开关管截止时原理图在开关管关断时，反激变换器的变压器储能向负载释放，磁心自然复位，因此反激变换器无需另加磁复位措施。
磁心自然复位的条件是：开关导通和关断时间期间，变压器一次绕组所承受电压的伏秒乘积相等。
2、DCM(discontinuouscurrentmode)&CCM(continuouscurrentmode)根据次级电流是否有降到零，反激可以分为DCM(副边电流断续模式）和CCM（副边电力连续模式）两种工作模式。
两种模式有其各自的特点。
下面两种工作模式时的波形。
图2-3反激变换器工作在CCM下的各个波形图2-4反激变换器工作在DCM下的各个波形两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。
以下是这两种工作模式的优缺点比较。
Ug 为PWM脉冲信号、U T为开关管承受电压、I L1与I L2原副边电流、U L2副边电压。
反激变换器建模Matlab仿真
前言本文主要论述的是如何对理想的CCM模式下的反激式变换器进行闭环补偿设计，并观察验证补偿结果。
主要分两部分进行论述，一部分是利用小信号建模法建模并计算出相应的传递函数，并由反激变换器的CCM的工作条件算出一组参数。
第二部分是通过matlab对其开环特性的分析，选择合适的补偿方法，并通过simulink进行仿真观察验证。
1 反击变换器的现状反激式(Flyback)变压器，或称转换器、变换器。
因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。
反激式变压器的优点有:1.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.2.转换效率高,损失小.3.变压器匝数比值较小.4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.反激式变压器的缺点有:1.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.由于两种模式的仿真较复杂，本文只对CCM模式下的反激变换器进行仿真和讨论。
2 CCM 模式下反激式变换器的工作原理和传递函数的计算CCM 模式是指，反激式变换器中的变压器在一个周期结束时仍有部分的存储能量。
而这也是CCM 模式下讨论其工作原理和计算传递函数的基础。
CCM 模式下，反激式变换器有两个工作状态，一个是开关Q 导通，另一个是开关Q 断开，如图2.1所示。
V(t)V gD 开关Q断开V g D 开关Q 导通图2.1 CCM 模式下反击变换器的两个工作状态当开关Q 断开时有方程组：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+-=+=])(,[),()(])(,[,)()(])(,[),()(s s s T L g T c T g L t d t t t i t i t d t t R t v t i t d t t t v t v当开关Q 导通时有方程组：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧++=++-=++-=],)([,0)(],)([,)()()(],)([,)()(s s g s s L c s s L T t T t d t t i T t T t d t R t v n t i t i T t T t d t n t v t v在周期平均法的基础上，通过在变换器静态工作点附近引入低频小信号扰动，从而对变换器进行线性化处理。
反激电源的控制环路设计
反激電源の控制環路設計一环路设计用到の一些基本知识。
电源中遇到の零极点。
注：上面の图为示意图，主要说明不同零极点の概念，不代表实际位置。
二电源控制环路常用の3种补偿方式。
（1）单极点补偿，适用于电流型控制和工作在DCM方式并且滤波电容のESR零点频率较低の电源。
其主要作用原理是把控制带宽拉低，在功率部分或加有其他补偿の部分の相位达到180度以前使其增益降到0dB. 也叫主极点补偿。
（2）双极点，单零点补偿，适用于功率部分只有一个极点の补偿。
如：所有电流型控制和非连续方式电压型控制。
（3）三极点，双零点补偿。
适用于输出带LC谐振の拓扑，如所有没有用电流型控制の电感电流连续方式拓扑。
三，环路稳定の标准。
只要在增益为1时（0dB）整个环路の相移小于360度，环路就是稳定の。
但如果相移接近360度，会产生两个问题：1）相移可能因为温度，负载及分布参数の变化而达到360度而产生震荡；2）接近360度，电源の阶跃响应（瞬时加减载）表现为强烈震荡，使输出达到稳定の时间加长，超调量增加。
如下图所示具体关系。
所以环路要留一定の相位裕量，如图Q=1时输出是表现最好の，所以相位裕量の最佳值为52度左右，工程上一般取45度以上。
如下图所示：这里要注意一点，就是补偿放大器工作在负反馈状态，本身就有180度相移，所以留给功率部分和补偿网络の只有180度。
幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足の，所以设计时一般不用特别考虑。
由于增益曲线为-20dB/decade时，此曲线引起の最大相移为90度，尚有90度裕量，所以一般最后合成の整个增益曲线应该为-20dB/decade 部分穿过0dB.在低于0dB带宽后，曲线最好为-40dB/decade，这样增益会迅速上升，低频部分增益很高，使电源输出の直流部分误差非常小，既电源有很好の负载和线路调整率。
四，如何设计控制环路？经常主电路是根据应用要求设计の，设计时一般不会提前考虑控制环路の设计。
OB教程_反激环路设计
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Flyback PWM SCtoangfied小ent信ial号to 模Ten型pa(oCCM) Power Stage传函:
Λ
v(s)
Λ
d (s)
≈
Vg nD'2
(1 +
Ro1Cs)(1
−
n2
sLm D Ro (1 − D)2
1
+
s
n
2
L D '2
fiden VL = VI D −VO (1− D) = (VI +VO )D −VO Con vˆL = (VI +VO )dˆ − vˆO (1− D) ≅ (VI +VO )dˆ right iˆL = vˆL / sL On-B IO = IL (1− D)
iˆO = iˆL (1− D) − I Ldˆ
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电流模式与电压模式的直观a理o 解 电压模式是占空比直接调制，变压器电感是开环状态，在外围电压回路 np 中引入一个DC极点(s=0) Te 电流模式是占空比间接调制，变压器电感是闭环状态。 l to 反激变换器类似于buck-boost架构，以buck-boost为例分析。 tia 无论是电压还是电流模式，CCM中RHZ始终存在，且频率相同。
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DCvMvFB(ΛΛs(模s)O) ≈n式V-VBF0Br下ig⋅ 11h++PtRRoCoo12wCCooon11eSsfridSetnat由平对Figalye于面于lbtaoP零Cc小owwCkTw点zp系eM==e信(n1r统而RR/pSoHR2C更言t号aoao1PC1go容，Zoe1传)易D，无C补所函右M偿以半！相
电流模式控制反激变换器反馈环路的设计
电流模式控制反激变换器反馈环路的设计
一、引言
电流模式控制（CMC）是一种新型的控制技术，越来越多地应用于调节系统。
它一般用于控制半导体变换器，例如反激变换器，称为电流模式控制反激变换器（CMC-M）。
CMC-M具有一定的优势，如精确控制、稳定性好、宽调节范围和低纹波等。
但是，由于反激变换器的结构，CMC-M的反馈环路设计非常重要，而且很多因素需要考虑，如反馈环路延迟、负载变化、快速反应和频率响应等。
因此，在CMC-M中，反馈环路的设计工作是重中之重。
本文旨在探讨电流模式控制反激变换器反馈环路的设计。
二、反馈环路延迟
由于CMC-M的控制结构，反馈环路延迟是一个重要问题，影响变换器的稳定性以及调节器的性能。
一般来说，存在反馈延迟会导致控制系统失去稳定。
因此，在实际的应用中，需要减小反馈延迟，以保证CMC-M系统的稳定。
反馈延迟主要取决于反馈环路器件的选择，一般来说，使用低延迟的放大器能够减小反馈延迟，从而提高系统的稳定性。
另外，还可以使用回路增益降低反馈环路延迟，确保系统的稳定性。
三、负载变化
在CMC-M系统中，负载变化也是一个重要因素，它会影响变换器的性能。
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与
设计
反激变换器是一种常见的电源转换器，它可以将直流电压转换为交流电压，常用于电子设备的电源供应。
基于峰值电流控制的反激变换器是一种常见的反激变换器控制方式，它可以实现高效率、高精度的电源转换。
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计需要考虑多个因素。
首先，需要确定变换器的拓扑结构，常见的反激变换器拓扑结构包括单端、双端和半桥结构。
其次，需要确定变换器的工作频率和输入输出电压等参数。
最后，需要确定峰值电流控制的具体实现方式，常见的控制方式包括电流模式控制和电压模式控制。
在进行反激变换器的建模与设计时，可以采用MATLAB等软件进行仿真分析。
通过仿真分析可以得到变换器的电路参数、电流波形、功率损耗等关键指标，从而优化设计方案。
同时，还需要进行实际电路的搭建和测试，以验证仿真结果的准确性。
基于峰值电流控制的反激变换器具有多种优点，如高效率、高精度、稳定性好等。
在实际应用中，可以根据具体需求选择不同的控制方式和拓扑结构，以实现最佳的电源转换效果。
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计是一项复杂的工作，需要综合考虑多个因素。
通过合理的设计和优化，可以实现高效率、
高精度的电源转换，为电子设备的稳定运行提供可靠的保障。
电流模式控制反激变换器反馈环路的设计
电流模式控制反激变换器反馈环路的设计首先要搞清系统稳定所必需的几个条件：系统稳定的原则：A,系统环路总增益在穿越频率（或叫剪切频率，截止频率，交越频率，带宽都是它）处的增益为1或0Db。
高的穿越频率能保正电源快速响应线性和负载的突变，穿越频率受到开关频率的限制，根据采样定理穿越频率必需小于开关频率的一半，因为开关频率可以在输出端开出来，但这个频率必须不被反馈环传递，否则系统将会振荡并如此恶性循环。
实际应用中一般取开关频率的1/4或1/5。
B，在系统在穿越频率处的总相位延迟必需小于（360-45）315度。
45度为相位裕量。
当相位裕量大于45度时，能提供最好的动态响应，高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间获得最少的过冲。
C，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的斜率应为-1过0Db。
因为具有-1增益斜率的电路，相位延迟不会超过90度（这里指的是系统总的开环增益曲线）。
要满足上面的三个准则，必需知道如何计算系统中各环节的增益和相位延迟。
要知道如何计算必需先搞清楚以下几个概念：1．系统的传递函数：系统的传递函数定义为输出变动量除以输入变动量也叫增益。
每一部份的传递函数均为该部份的输出除以输入，也叫该部份的增益。
系统的增益即为各环节部份增益的乘积。
增益可以用数值方式表示也可以用Db（分贝）方式表示。
传递函数由幅值和相位因素组成（幅值也就是增益），并可以在博得图上分别以图形表示。
通常我们要把传输函数因式分解成各因式相乘的形式，以便于得到零点各极点。
2．极点：数学上，在传输函数方程中，当分母等于零时出现极点，在博得图上当增益以-1斜率开始递减时的点为一个极点。
3．零点：数学上，在传输函数方程中，当分子等于零时出现零点，在博得图上当增益以+1斜率开始递增时的点为零点，并伴随着90度的相位超前。
第二种零点，即右半平面零点，增益仍以+1斜率递增，它将引起90度的相位滞后而非超前，设计时应使系统的穿越频率大大低于右半平面零点。
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计
基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计反激变换器是一种常用的开关电源电路，应用广泛，供应系统电力负载。
与传统的直流-直流变换器相比，反激变换器具有一些优点，比如高转换效率，高电压转换比等等。
对于反激变换器的建模与设计，峰值电流控制是一种常见的方法，下面介绍具体步骤。
反激变换器的结构一般包括输入直流与谐振电容的串联，幺变压器，输出直流电流检测电感器，输出电感和输出滤波电容以及开关管组成。
在典型的反激变换器中，输人电压Ug经过谐振电容存储能量，然后经过开关管（一般为MOSFET）通过幺变压器产生一个瞬态高压脉冲。
该脉冲被送到输出端，经过输出电感和滤波电容后变成稳定的直流输出电压Uo。
反激变换器的运行原理是通过开关管的开关动作实现。
开关管在开启状态下，Ug通过其导通，将电能储存到谐振电容Cres上，然后通过闭合开关，将谐振电容Cres的能量释放到幺变压器上，产生一个脉冲电压，并将其通过输出滤波电容Cout释放到输出端，形成稳定的电压输出。
然后开关管再次断开，回到等待状态，以反复周而复始。
为了建立反激变换器的控制模型，我们需要确定转换过程中的一些参数，例如输入电压Ug、输出电压Uo、电感L和电容C等等。
在设计反激变换器时，一些主要任务包括电压转换比、输出电压纹波、谐振电容的选择以及开关和电感时序的选择等等。
峰值电流控制方法可以帮助我们实现了对反激变换器的控制，并且其原理和步骤也简单易懂。
首先，确定开关管的控制信号：当Uc>Us时，开关K1关闭，Uc通过电阻R1放电；当Uc<Ud时，开关K1-close，Uc开始充电。
其次，计算反激电流：当开关K1关闭时，谐振电容通过幺变压器将能量传递到电感L1中，产生的反激电流可表示为Ir=L1(du/dt)。
在峰值电流控制中，我们需要根据Ir的峰值确定开关管的导通时间。
通过选择合适的控制电路可以实现定时控制和逻辑控制，从而保证反激电流的峰值始终保持在合适的范围内，同时也保证了输出电压的稳定。
高精度有源钳位反激变换器小信号建模及控制环路设计
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反激式变换器电路仿真建模与分析
学号：常州大学毕业设计（论文）（2012届）题目学生学院专业班级校内指导教师专业技术职务校外指导老师专业技术职务二○一二年六月反激式变换器电路仿真建模与分析摘要:开关DC-DC变换器是一种典型的强非线性时变动力学系统，存在各种类型的次谐波、分岔与混沌等丰富的非线性现象。
这些非线性现象严重影响开关DC-DC变换器的性能。
因此，深入分析和研究开关DC-DC变换器的分岔和混沌等非线性动力学现象，对开关DC-DC变换器的设计、运行及控制都具有重要的指导意义。
反激式变换器是一种隔离式开关变换器，该变换器利用变压器实现了输入与输出电气隔离。
变压器具有变压的功能有利于扩大变换器的输出设备应用范围，也便于实现不同电压的多路输出或相同电压的多种输出。
运用变压器进行隔离使电源与负载两个直流系统之间是绝缘的，即使输出短路也不会影响外部电源。
本文利用PSIM电路仿真软件进行电路仿真，给出峰值电流控制反激式变换器和电压反馈控制反激式变换器各电路参数变化时的时域波形和在输出电压-安匝和平面上的相轨图，并对输入电压和负载电阻两个参数进行分析，从而确定其稳定工作时的参数区域。
本文对反激式变换器进行建模和PSIM电路仿真分析，了解到该变换器在不同电路参数时的运行情况，有效地估计出该变换器处于稳定工作状态时的电路参数范围，有助于制作实际反激式变换器电路参数的合理选取。
关键词：反激式变换器；安匝和；峰值电流控制；电压反馈控制；稳定性；PSIM；仿真Simulation Modeling and Analysis of the fly back convertercircuitAbstract: Switching DC-DC converters are a type of strong nonlinear and time-varying dynamical systems with all kinds of nonlinear phenomena, such as subharmonic, bifurcation, and chaos. These phenomena will seriously impact the work of the switching DC-DC converters. So, the deep analysis and study of these nonlinear dynamical phenomena have an important significance for design of switching DC-DC converter.Fly back converter is a special switching DC-DC converter, in which the transformer is employed to isolate the input from output. And the use of transformer in fly back converter is convenient to expand the output range and realize multi-output.In this paper, using the PSIM software, the simulation circuits of peak current mode(PCM) controlled fly back converter and voltage mode(VM) controlled fly back converter are built. Based on the simulation circuit and different circuit parameters, the operation of PCM controlled fly back converter is analysed and studied by time-domain waveforms and phase portraits in inductor current and total ampere-turns plane. Besides, the input voltage and load resistor are considered as two variables to depict the steady-state and unsteady-state region of the converter. The research results can help to choose reasonable circuit parameters in designing fly back converter circuit.Key works：Fly back converter; Total ampere-turns; Chaos; Peak current mode control; V oltage mode control; Stability; PSIM; Simulation目次摘要 (I)目次 (III)1 引言 (1)2 开关DC-DC变换器及其控制技术简介 (2)2.1 开关DC-DC变换器 (2)2.1.1 Buck变换器 (2)2.1.2 Boost变换器 (2)2.1.3 Buck-Boost变换器 (3)2.1.4 反激式变换器 (3)2.2开关DC-DC变换器控制技术 (6)2.2.1 固定频率控制技术 (6)2.2.2 可变频率控制技术 (9)2.3 PSIM软件简介 (10)3 反激式变换器的建模与仿真分析 (11)3.1 PCM控制反激式变换器的PSIM建模 (11)3.2 PCM控制反激式变换器的仿真分析 (12)3.3 VM控制反激式变换器的PSIM建模 (14)3.4 VM控制反激式变换器的仿真分析 (14)4 反激式变换器的稳定工作参数域仿真与分析 (16)4.1利用输入电压和负载确定稳定工作参数域 (16)4.2 利用参考电流和负载确定稳定工作参数域 (21)4.3 利用参考电流和输入电压来确定作参数域 (24)5 结论 (27)参考文献 (28)致谢 (30)1 引言开关DC-DC变换器是一类典型的强非线性时变动力学系统，存在各种类型的次谐波、分岔和混沌等丰富的非线性现象[1-15]。
(完整word版)单端反激变换器的建模及应用仿真
单端反激变换器的建模及应用仿真摘要：介绍一种单端反激式高压DC/DC变换器,叙述其工作原理,工作模式，波形的输出。
并对两种工作模式进行了分析。
通过对单端反激变换器的Matlab/Simulink建模与仿真，研究电路的输出特性，以及一些参数的选择设置方法。
关键词：单端反激变换器Matlab/Simulink 建模与仿真1.反激变换器概述换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离，升/降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，而广泛用于多路输出机内电源中。
在反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，由于变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。
当功率管关断时，会产生很高的关断电压尖峰，导致开关管的电压应力大，有可能损坏功率管；导通时，电感电流变化率大。
因此在很多情况下，必须在功率管两端加吸收电路。
反击变换器的特点：1、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求。
反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器。
输出滤波仅需要一个滤波电容，不需要体积、重量较大的电感，较低的成本。
尤其在高压输出时，避免高压电感和高压续流二极管。
功率晶体管零电流开通，开通损耗小。
而二极管零电流关断，可以不考虑反向恢复问题2、输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，无需切换而达到稳定输出的要求。
3、转换效率高，损失小。
4、变压器匝数比值较小。
5.小功率多组输出特别有效;6.变压器工作原理与其他类型的隔离变换器不同，隔离变压器还起到了存储能量的作用;7.变压器铁芯必须加气隙,以防磁饱和；2.反击变换器的工作原理反激变换器的原理图如图2-1 所示。
图2-1 反激变换器的原理图反激变换器工作原理是：主开关管导通时，二次侧二极管关断，变压器储能；主开关管关断时，二次侧二极管导通，变压器储能向负载释放。
它和正激变换器不同，正激变换器的变压器励磁电感储能一般很小，各绕组瞬时功率的代数和为零，变压器只起隔离、变压作用。
反激式变换器环路分析与建模
反激式变换器环路分析与建模Technical Note 安森美半导体应用系列技术笔记AN01010101 V1.00 Date: 2012/09/18类别内容关键词反激，环路建模摘要本文采用基于传递函数的经典控制理论，介绍了反激式变换器的功率级和补偿网络分别在CCM模式和DCM模式下的小信号模型，并基于NCP1200及NCP1015构建反激式变换器，在Matlab环境下验证所建数学模型的合理性。
广州周立功单片机发展有限公司修订历史目录第1章反激式变换器环路分析与建模 (1)1.1 概述 (1)1.2 基础概念 (1)1.2.1 与环路分析相关的几个概念 (1)1.2.2 性能优良的开关电源的设计目标 (3)1.3 传递函数的建立 (4)1.3.1 补偿网络传函（Hs） (4)1.3.2 功率级传函（Gs） (6)1.4 Matlab分析 (7)1.5 总结 (9)第1章反激式变换器环路分析与建模1.1 概述在反激式开关电源的设计中，对于缺乏设计经验的工程人员，闭环回路相关参数的调试将会耗去大量的时间和精力。
最让开发人员困惑的是，当自己设计的开关电源表现不佳（比如噪声过大、空载震荡、开机过冲太大等）时，不知道该调整电路中的哪些参数来得到想要的性能。
众所周知，开关电源是一个典型的闭环控制系统，而且是一个高度非线性时变系统。
一般而言，涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究，不过，基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂，这一点令开关电源的开发人员望而却步。
在实际工程应用中，非线性系统可以近似线性化处理（相关理论可参考胡寿松版《自动控制原理》第二章内容），从而在保证合理性的情况下，降低研究问题的难度。
因此，采用基于传递函数经典控制理论被广泛应用于实际工程分析中，当然，本文讨论的反激式变换器的建模问题，果断地采用了这种方法。
本文尝试对应用比较广泛的反激式变换器进行建模分析，包括功率级和补偿网络两部分，并在Matlab环境下编写m文件，利用Bode图分析其开环传递函数的幅频特性曲线和相频特性曲线，以及动态响应特性。
自激式反激变换器的分析与设计
随着VGS下降，开关S1开始关断。当t=t10时，电压VGS下降到开关S1的门限电平VTH，开关S1关断。这个阶段如图2(k)所示。
t=t5以后，电容Coss继续放电，绕组电压极性反向，如图2(g)所示。在这一阶段，驱动电压VO2+V2持续上升，使电流iZCD也持续上升，上升的电流iZCD使电压VGS上升，反过来加速电容COSS的放电，而进一步使VO2+V2上升，这个正反馈一直持续到电压VGS达到VTH(t=t6),开关S1导通进入恒流区。
t=t4以后，电流iZCD开始向相反的方向流动，电容CZCD, CISS开始重新充电，如图2(f)所示。电压VGS的上升导致集射极电压VQce上升，二极管Dbc关断，使晶体管Q1关断。同时电容Coss继续谐振放电，进一步降低了次级绕组V2。结果，电阻RZCD上的电压上升，使电流iZCD更快地上升。这一阶段在t=t5时结束，这时变压器上的电压下降到零。
为帮助理解变换器的工作状态，把图1中的电路在一个开关周期中的工作状态分解成图2中的十一个拓扑状态，包括电流和电压的参考方向，并在图3中展示了功率级平台和控制级平台的主要波形。
t=t0之前，电流iQce和电压VCZCD为正，开关管S1中CISS的电荷被晶体管抽取，开关管开始关断，导致电压VDS上升。
t=t0时刻，VDS达到VIN+NVo，整流管D1和D2开始导通。这一阶段如图2(b)所示，励磁电流iM瞬时从开关管S1转化到输出整流管D1和D2。由于输出电容CO1>>CO2，当电压VO2上升时电压VO1可近似看成恒定不变，这样电流i2相对于电流i1将下降得更快，如图3中(d)和(e)所示。由于这一阶段整流管D2是导通的，电阻RZCD上的电压VRZCD为-(VGS+VS+VCZCD)≈-(VGS+VCZCD),电流iZCD通过电阻RZCD使CISS和CZCD放电。同时，晶体管Q1截止，电流ie流过RF, RS, RL2组成的环路。值得注意的是晶体管Q1只有在它的基射极电压VQbe低于它的截止电压Ｖγ时才会关断。由图2(b)知，VQbe=ieRF+iS1RS≈ieRF,因为iS1RS<<ieRF，晶体管Q1在t0<t<t1期间截止（if ieRF<Ｖγ）.图2(b)的状态在t=t1时结束，这时VGS的电位降到了比晶体管Q1的VQbe低一个管压降，使基-集间PN结正向偏置。
反激电路建模
基于TOPSwitChⅡ的单端反激开关电源的建模及动态分析O 引言开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，而被广泛地应用于以电子汁算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一环，而开关电源性能的优劣也将直接关系到整个系统的安全性与可靠性。
开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源，由于线路简单，所需要的元器件少，而受到重视。
为使开关电源具有更好的动态稳定性，本文首先将开关电源从功能和结构上分成3个部分，求出各部分的内部参数，及相互之间的关系，然后运用动态小信号平均模型的基本原理求得各部份的传递函数，最后对3个部分传递函数组成的一个整体闭环系统进行分析，以求达到最佳的控制效果。
1 系统模型的建立图1为单端反激式开关电源控制系统的结构图，由3个重要部分组成，即调节器、开关器件和高额变压器。
其中凋节器为TL431，由美国德州仪器公司(TI)和摩托罗拉公司生产；开关器件为TOP227，由Power Integrations(简称PI)公司于1994年推出的TOPswitchⅡ系列芯片。
电路的工作原理是：输出电压的取样(取样系数为α)反馈给调节器的一个输入端与另一输入端的给定信号Ug(TL431内部的电源提供，其大小为2.5V)进行比较，输出为电流Ic；Ic控制开关器件的占空比；高频变压器和输出整流滤波组成的一个整体，把原边的能量转换到副边输出。
各种因素的变化最终导致电源的输出量发生变化，通过调节器使得输出趋于稳定。
要对系统进行动态分析必须对每个环节建立明确的数学描述，即给出它们具体的传递函数。
在建模的过程中，运用动态小信号平均模型的基本原理，分别对3部分模型进行推导。
1.1 调节器部分调节器部分是以TL43l为主要器件构成的电路，在模型推导的过程中，结合电路的基本原理和元器件在实际模型中的功能将电路简化，最后对最简化的电路图进行建模。
图2为TL431及外围元器件构成的电路图(虚线框内为TL431的内部结构图)，可以简化为图3。
工程师自我养成之反激变换器控制环路仿真设计
工程师自我养成之反激变换器控制环路仿真设计
一步一步来，首先进行反激变换器的小信号模型推导，小信号模型推导方
法很多，平均开关模型法较为方便，下面简单介绍平均开关模型法。
上图中方框的部分均可以等效为下图，电流连续模式时满足：
引入小信号可得：
化简可得：
从化简的式子可得到下图：
已给出了变换器抽象出来的等效开关在CCM 和DCM 的小信号模型，并将
等效出的模型代回变换器[以buck-boost 为例]，给出buck-boost 变换器
DCM/CCM 的小信号模型。
Buck-boost 小信号模型推导结果的原因是Flyback 和Buck-boost 小信号模型非常相似，从Buck-boost 的小信号模型可以轻易推导出Flyback 的小信号模型。
以CCM 为例，将反激变换器等效为Buck-boost 变换器，输入电压及电感分。
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反激式变换器环路分析与建模Technical Note 安森美半导体应用系列技术笔记AN01010101 V1.00 Date: 2012/09/18类别内容关键词反激，环路建模摘要本文采用基于传递函数的经典控制理论，介绍了反激式变换器的功率级和补偿网络分别在CCM模式和DCM模式下的小信号模型，并基于NCP1200及NCP1015构建反激式变换器，在Matlab环境下验证所建数学模型的合理性。
广州周立功单片机发展有限公司修订历史目录第1章反激式变换器环路分析与建模 (1)1.1 概述 (1)1.2 基础概念 (1)1.2.1 与环路分析相关的几个概念 (1)1.2.2 性能优良的开关电源的设计目标 (3)1.3 传递函数的建立 (4)1.3.1 补偿网络传函（Hs） (4)1.3.2 功率级传函（Gs） (6)1.4 Matlab分析 (7)1.5 总结 (9)第1章反激式变换器环路分析与建模1.1 概述在反激式开关电源的设计中，对于缺乏设计经验的工程人员，闭环回路相关参数的调试将会耗去大量的时间和精力。
最让开发人员困惑的是，当自己设计的开关电源表现不佳（比如噪声过大、空载震荡、开机过冲太大等）时，不知道该调整电路中的哪些参数来得到想要的性能。
众所周知，开关电源是一个典型的闭环控制系统，而且是一个高度非线性时变系统。
一般而言，涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究，不过，基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂，这一点令开关电源的开发人员望而却步。
在实际工程应用中，非线性系统可以近似线性化处理（相关理论可参考胡寿松版《自动控制原理》第二章内容），从而在保证合理性的情况下，降低研究问题的难度。
因此，采用基于传递函数经典控制理论被广泛应用于实际工程分析中，当然，本文讨论的反激式变换器的建模问题，果断地采用了这种方法。
本文尝试对应用比较广泛的反激式变换器进行建模分析，包括功率级和补偿网络两部分，并在Matlab环境下编写m文件，利用Bode图分析其开环传递函数的幅频特性曲线和相频特性曲线，以及动态响应特性。
在此基础上，采用了许庆柱工程师设计的NCP1200反激式模块（工作在CCM模式）和我本人调试的NCP1015电源模块（工作在DCM模式）对建立的模型的合理性进行了验证，证明可行。
值得一提的是，利用经典控制理论建立的模型是一个理想的线性模型，不可能精确的描述开关电源系统的精确模型。
然而，对开关电源的环路进行分析的目的，不是为了获得其在数学上的精准描述，而是为了研究影响环路特性的关键参数改变时，会对系统造成什么样的影响，如本文开头描述的那样，从而可以知道调整哪些参数可以得到想要的性能。
调电路固然重要，但调电路的方向更重要。
1.2 基础概念1.2.1 与环路分析相关的几个概念在开始本文的介绍之前，有几个概念性的东西需要理解。
1. 反激式开关电源的系统框图：在这里，以峰值电流模式电源管理芯片NCP1015应用为例（其它大同小异），将反激式变换器的功能模块进行一个划分，以方便下文的数学建模。
我们将峰值电流模式控制的反激式变换器系统分为两大块，如图1.1所示，蓝色线框部分从芯片的FB脚到变换器的输出，其中内部包含有一个电流环，这一部分称为功率级；红色线框部分从输出经TL431到光耦输出，这部分称为反馈补偿网络。
抽象出来它的数学模型，我们可以将反激式变换器的框图绘制出来，如图 1.2所示。
D3C4C8D1VCC1FB2DRAIN3GND 4U1NCP1015T1R1C1C10R3U3PC817R6R2VoC2C6R5U2TL431R7Vin图 1.1 基于NCP1015的反激式变换器功率级（Gs ）反馈补偿网络（Hs ）给定Vin图 1.2 反激式开关电源的系统框图2. 闭环传递函数闭环传递函数定义为，从给定（参考输入）到输出的传递函数，表达式如下：Hs*Gs 1Gs s +=Φ）（ 方程1 令T=Gs*Hs ，方程1可转化为：T1T *Hs 1)s +=Φ（ 方程2 3. 开环传递函数看方程1的分母项，将Gs*Hs 定义为系统的开环传递函数，开环传递函数决定了闭环系统的稳定性（试想一下，让方程1中的分母项Gs*Hs+1=0会发生什么后果？），开关电源设计中出现系统震荡与这一项有关系。
那满足什么样的条件才能使系统稳定呢？根据奈奎斯特稳定性判据（参考胡寿松版《自动控制原理》210页），系统稳定的充分必要条件是：当|Gs*Hs|=1时，开环传递函数的相移小于180度。
4. Bode图反激式开关电源的设计，很大一部分工作是反馈补偿网络的设计。
在工程应用中，补偿设计的工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。
它的绘制方法很简单，可以确切的提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能够大致衡量闭环稳态和动态性能。
正因为如此，Bode图是开关电源设计中的一个重要工具。
1.2.2 性能优良的开关电源的设计目标在定性地分析开关电源系统的性能时，通常将系统开环传递函数的Bode图分成高、中、低三个频段。
需要说明的是，三个频段之间的界限只是一个大致范围，不同参考资料划定界限的方法不尽相同，当这并不影响对开关电源性能的定性分析。
一个性能良好的开关电源Bode图如图 1.3所示，从它的三个频段可以判断系统的性能，这些特征包含以下几个方面：图 1.3 开关电源系统的典型Bode图截止频率：截止频率定义为系统开环增益为零时对应的频率，对于截止频率，需要考虑以下三点问题。
第一点：根据香农采样定理，对于特定开关频率的开关电源，其开环传递函数的截止频率必须小于开关频率的二分之一（工程上一般取四分之一到十分之一）；第二点：在第一点的基础上，截止频率应尽量选大一点，这样可以保证系统能够快速响应。
第三点：在截止频率处，要留有足够的相位裕量，一般取γ≥45°。
穿越频率：穿越频率定义为系统的开环传递函数产生-180°的相移时对应的频率。
在穿越频率处，为了得到系统对扰动更好的抑制能力，一般要求幅值裕量x≤-10dB。
低频阶段：在Bode 图中，低频段表征系统的稳态性能，低频增益越大，则系统的稳态精度越高。
值得一提的是，在AC-DC 开关电源设计中，在有些条件下，工程师可能会通过示波器观察到输出有100Hz 的噪声，这是因为系统的开环增益过小，对来自电网的交流纹波抑制能力不足。
中频阶段：中频段表征系统的动态性能，为了获得比较好的动态性能，一般要求开关电源在中频段以-20dB/dec 斜率下降。
高频阶段高频段表征开关电源系统抑制高频噪声的能力，高频段衰减越快越好，一般要求以-40dB/dec 下降为佳。
开关电源的设计目标，就是为了让系统通过补偿校正之后，其开环传递函数的幅频特性和相频特性向上述指标靠拢。
而想要得到理想的性能，我们要做的第一件事就是对开关电源的功率级和补偿网络进行数学建模，进而分析哪些关键参数会对开关电源的性能造成影响，这样一来，我们改善开关电源的性能就有了一个合理的方向。
1.3 传递函数的建立前面已经说明，我们将开关电源的架构分为两个部分，功率级和补偿网络，下面分别建模。
1.3.1 补偿网络传函（Hs ）Venable 提出了开关电源中的三种补偿网络（可参考马克纳塔拉名著《精通开关电源》第七章），I 、II 、III 型，其中I 型和II 型可以看成III 型补偿网络的简化版本。
在基于电流模式控制的反激式变换器的设计中，II 型补偿网络就足够使用了。
因此本文讨论基于II 型补偿网络传递函数，II 型补偿网络的基本形式如图 1.4所示。
V ref V in V EAR1C1R2图 1.4 II 型补偿网络基本结构形式在反激式变换器中，II 型补偿网络是通过TL431和光耦组合使用实现的，基本接线方法有两种，如图 1.5所示，在小信号分析中，只有红色线部分参与运算，1K 电阻的作用是为TL431提供最小1mA 的工作电流，R1的作用是设置静态工作点。
R1C2RledPC8171K C1TL431R3R2RpllFB R1Rled PC8171K C1TL431R3R2Rpll FB C2II 型补偿网络接线方式1II 型补偿网络接线方式2图 1.5 II 型补偿网络的两种接线方式下面给出接线方式1的建模分析过程，感兴趣的读者可以自己分析接线方式2，分析方法类似。
首先，建立补偿网络的交流小信号电路模型，如图 1.6所示。
R1Vref R31/C1sVo （s ）RledVo （s ）CTR Rpll1/C2s V EA (s)图 1.6 接线方式1的交流小信号等效电路Ok ，然后，利用模电知识，我们可以推导出从Vo 到V FB 的传递函数。
推导过程如下:)S 2C /1//Rpll (*s I *CT R s V led FB ）（）（-=led EA led R )s (V )s Vo s I -=（）（ )s 1C /1//3R (*2R )s (Vo )s (V EA -= 所以反馈网络的传递函数为:)s *2C *R 1(s *1C *2R s *1C *3R 1*CT R *R R )s (Vo )s V Hs pll led pll FB ++==（ 方程3 有方程3可知，在II 型补偿网络中，包含一个零极点、一个零点和一个极点。
零极点直接决定系统的低频开环增益，即方程1中的T ；零点和极点共同调节系统的带宽和进行相位补偿，其中高频极点还用来补偿功率级输出电容造成的Esr 零点，从而获得更好的高频噪声抑制能力。
1.3.2 功率级传函（Gs ）功率级表现出来的高度非线性，对建模造成了相当大的麻烦，在这里，我们假设变换器工作在满载、并且输入电压最低情况下（最恶劣条件），将功率级近似线性化分析，即便是如此，其模型的数学推导依然地艰深晦涩（推导过程可参考《开关变换器的建模与控制》一书）。
所以，我们避开推导这一步，直接采用几本书以及参考资料通用的功率级参考数学模型。
我们知道，在电压模式控制的变换器中，开关电源的三种基本拓扑Buck 、Boost 、Buck-Boost 中都存在一个输出LC 滤波器，于是，电压控制模式的功率级传递函数中，都存在一个LC 滤波器造成的双极点，关于这一点，目前在工程界和学术界的建模方法还是比较统一的（数学模型在《精通开关电源》197页），所以，电压模式控制的开关变换器，大多需要使用III 型补偿网络，比如SP7656.而在电流模式控制下，功率级的数学模型很难得到，目前在工程界和学术界，不同的研究人员提出了不同的建模方法，但至今没有公认的统一方法（参考《精通开关电源》217页），但大家都认同的是：那就是电流模式改变了功率级的极点，即由双极点变为单极点，但没有改变零点，这也为什么在电流模式下，II 型补偿网络就足够用的原因。