电源反馈设计速成篇之二 仿真篇 (Voltage mode, CCM)
DCDC Buck变换器CCM设计与仿真优化工具
DCDC Buck变换器CCM设计与仿真优化工具在电力转换领域，降压型DC-DC变换器广泛用于将高电压转换为低电压，以满足各种电子设备对不同电压级别的要求。
而传统的控制器设计及模拟仿真通常需要大量的时间和资源。
为了提高设计效率和准确性，DC-DC Buck变换器的CCM（Continous Conduction Mode，连续导通模式）设计与仿真优化工具应运而生。
CCM设计与仿真优化工具利用计算机辅助设计（CAD）技术，结合数值计算方法和算法优化技术，能够快速准确地进行DC-DC Buck 变换器的设计和仿真优化。
该工具可以通过输入电源参数、负载参数和控制策略参数，自动计算并优化DC-DC Buck变换器的参数配置，从而满足设计要求。
CCM设计与仿真优化工具的核心功能包括以下几个方面：1. 拓扑选择：根据设计要求和特定应用场景，工具能够快速选择最适合的DC-DC Buck变换器拓扑结构，例如简单的降压型变换器、二极管恒导通模式（Diod-rectified buck converter）和同步整流模式（Synchronous rectification）等。
2. 参数配置：通过输入电源参数、负载参数和控制策略参数，工具可以自动计算并优化DC-DC Buck变换器的关键参数配置，例如输入输出电压、电感电容值和占空比等。
同时，还可以优化控制策略的参数，如PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器参数。
3. 稳态和动态分析：在参数配置确定后，工具能够进行稳态和动态分析。
稳态分析包括输出电压、输出电流、开关电流和功率损耗等的计算和优化。
动态分析则涉及响应时间、过渡过程和稳定性评估等。
4. 电磁兼容性分析：工具还可以进行电磁兼容性（EMC）分析，评估DC-DC Buck变换器在工作过程中产生的干扰和抗干扰能力。
通过优化布局和滤波器设计，减少电磁干扰，提高系统的可靠性和稳定性。
基于Multisim的升压直流稳压电源的仿真
基于Multisim的升压直流稳压电源的仿真基于Multisim的升压直流稳压电源的仿真摘要摘要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
本次设计选择的是Boost升压直流斩波电路，升压直流斩波电路可以分为两部分电路块。
分别为主电路模块，控制电路模块。
主电路模块，主要由全控器件的开通与关断的时间（占空比）来改变输出电压U的大小。
控制电路模块，可用一个UC3842芯片来触发产生一个PWM的控制脉冲来控制全控开关的开通与关断。
为简化Boost变换器的电路设计，应用Multisim对Boost变换器进行建模，并对全部工作过程进行仿真和分析。
根据电路测试显示，电路性能能够很好地满足输出电压的设计要求，并达到了最终升压的目的，从而表明仿真结果正确。
关键词：开关电源，双闭环控制，电流模式控制PWM反馈，MultisimABSTRACTSwitching power supply is the use of modern electronic technology, the control switch turn-on and turn-off time ratio, maintaining the stability of the output voltage of a power supply, switching power supply is usually consists of pulse width modulation ( PWM ) control of IC and MOSFET.This design choice is Boost step-up DC chopper circuit, a boost DC chopper circuit can be divided into two parts of the circuit block. The main circuit module respectively, a control circuit module. The main circuit module, mainly by the control device turn-on and turn-off time ( duty cycle) to change the output voltage U size. The control circuit module, a UC3842 chip to trigger a PWM control pulse to control the switch turn-on and turn-off.In order to simplify the Boost converter circuit design, application of Multisim to Boost converter is modeled, and the entire working process simulation and analysis. According to the circuit test shows that, the performance of the circuit can well meet the requirements of output voltage, and reached the final boosting is achieved, thereby indicating that the simulation result is correct.Key words: Switch power supply, Double loop control, Current mode feedback control PWM, Multisim目录1 电源设计的拟定 (1)1.1前言 (1)351.2论文的主要内容 (5)5662 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计.. 72.1 概述 (7)72.2工作模态分析及相关理论推导 (8)82.3控制电路模块 (10)101213142.4电流型PWM升压变换器控制芯片设计141415172.5 主电路参数计算 (17)1718191919193 电路仿真与测试 (21)3.1 仿真multisim软件介绍 (21)222425263.2 实验仿真和波形分析 (26)2627总结 (31)致谢 (32)参考文献 (34)目录1 电源设计的拟定1.1前言一般情况下，电源要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如AC／DC 转换器。
基于PSpice的升压型开关稳压电源设计和仿真
基于PSpice的升压型开关稳压电源设计与仿真20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代由传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛用于电子、电气设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。
20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。
Cadence旗下的PSpice是一款电路仿真软件，能够对复杂的模数混合电路进行仿真，而且开关电源也不例外。
1升压变换器拓扑结构升压变换器属于间接能量传输变换器。
供电过程包含能量的存储和释放两方面。
如图1所示，Vclock是脉冲信号源，提供PWM电压，用以功率开关S1的导通与截止。
Rsense为电流取样电阻，Resr为电容的等效串联电阻。
在开关S1导通期间，二极管D1截止，电感储存能量，输出电容单独为负载提供电能。
在开关S1断开期间，二极管D1导通，储存了能量的电感与输入电源串联，为输出提供电能，其中一部分转移到电容C1里。
1.1工作于CCM条件下的升压变换器波形对图1所示电路，借助PSpice进行仿真，获得如图2所示的波形图。
这是典型的电感电流连续导通模式（CCM）。
图1基础升压变压器结构电路图2工作于CCM条件下的Boost变换器波形曲线①代表PWM波形，用于触发功率开关导通或断开。
当开关S1导通时，公共点SW/D电压几乎降到0.相反，当开关S1断开时，公共点SW/D电压增加为输出电压和二极管的正向压降之和，如曲线②所示。
曲线③描述了电感两端电压的变化。
高电平期间，电感左侧电压为Vin,右侧几乎为0,对应功率开关导通；而低电平期间，电感左侧电压仍为Vin,而右侧突变为Vout,因为功率开关截止，同时二极管导通，此时对应电感电压为负值，这就意味着输出电压大于输入电压。
buck控制器中仿真电流模式控制电路的设计
在进行buck控制器中仿真电流模式控制电路的设计时，首先需要对仿真电流模式控制（SIMC）进行全面评估。
SIMC是一种常用的控制策略，能够实现电流和电压的稳定控制，同时具有快速动态响应和良好的稳定性。
在设计电路时，需要考虑控制电路的深度和广度，以确保所设计的电路具有高质量和可靠性。
SIMC是一种基于电流反馈的控制策略，其主要思想是通过对电流进行实时监测和控制，来实现对电压和功率的稳定调节。
相较于传统的电压模式控制，SIMC具有更好的动态响应和抗扰性，因此在众多电源控制应用中得到广泛应用。
在设计buck控制器中的SIMC电路时，需要考虑的因素包括但不限于电感、电容、开关管及其驱动电路、比较器、反馈网络等。
这些因素的选择和设计对于电路性能的影响至关重要。
需要在对电路的深度评估的考虑到这些因素的相互影响，以确保电路具有良好的稳定性和性能。
在文章中多次提及buck控制器中仿真电流模式控制电路的设计，以确保对主题的全面阐述。
需要按照从简到繁的方式探讨电路设计的相关原理和步骤，以帮助读者更深入地理解设计的内在逻辑。
在总结和回顾性的内容中，需要对电路设计的关键步骤和原理进行梳理和总结，以便读者全面、深刻地理解主题。
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在进行buck控制器中仿真电流模式控制电路设计时，首先需要对SIMC进行全面评估。
SIMC 是一种常用的控制策略，能够实现电流和电压的稳定控制，同时具有快速动态响应和良好的稳定性。
三种CCM模式控制方式
1 各种直接电流控制策略1.1 峰值电流控制峰值电流控制的输入电流波形如图1所示,开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流上升到基准电流时,开关管关断。
采样电流来自开关电流或电感电流。
峰值电流控制的优点是实现容易,但其缺点较多：1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足THD很小的要求;2)电流峰值对噪声敏感;3)占空比>0.5时系统产生次谐波振荡;4)需要在比较器输入端加斜坡补偿器。
故在PFC中,这种控制方法趋于被淘汰。
1.2 滞环电流控制滞环电流控制的输入电流波形如图2所示,开关导通时电感电流上升,上升到上限阈值时,滞环比较器输出低电平,开关管关断,电感电流下降;下降到下限阈值时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始地工作,其中取样电流来自电感电流。
滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制,它将电流控制与PW M调制合为一体。
结构简单,实现容易,且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。
其缺点是开关频率不固定,滤波器设计困难。
目前,关于滞环电流控制改进方案的研究还很活跃,目的在于实现恒频控制。
将其他控制方法与滞环电流控制相结合是SPW M电流变换器电流控制策略的发展方向之一。
1.3 平均电流控制平均电流控制的输入电流波形如图3所示。
平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。
当两信号之和超过基准电流时,开关管关断,当其和小于基准电流时,开关管导通。
取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。
由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。
THD(<5％)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合,是目前PFC中应用最多的一种控制方式。
其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化,能够引起低次电流谐波。
1．4 预测电流控制预测电流控制就是通过对输入、输出电压和输入电流的采样,根据实际电流和参考电流的误差,选择优化的电压矢量(脉冲宽度)作用于下一个周期,使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流,实现稳态无误差。
电源电路仿真培训课件
电源电路仿真培训课件电源电路仿真培训课件电源电路是电子设备中至关重要的一个组成部分。
它提供了稳定的电能，为其他电子元件和电路提供所需的电源。
然而，设计和优化电源电路并不是一项容易的任务。
为了帮助工程师们更好地掌握电源电路的设计和仿真技术，许多培训课件应运而生。
一、电源电路的重要性电源电路在各种电子设备中起着至关重要的作用。
它们能够将交流电转换为直流电，并提供所需的电压和电流。
稳定的电源电路能够确保其他电子元件和电路的正常工作，从而保证整个电子设备的性能和可靠性。
二、电源电路设计的挑战设计一个高效、稳定的电源电路并不容易。
首先，电源电路需要根据具体的应用需求来选择适当的拓扑结构，例如开关电源、线性稳压电源等。
其次，电源电路设计需要考虑到功率因数、效率、噪声等因素。
此外，电源电路还需要满足各种电气安全标准和EMC要求，以确保设备的安全性和电磁兼容性。
三、电源电路仿真的重要性在电源电路设计过程中，仿真是一项非常重要的工具。
通过仿真，工程师们可以在实际制造之前对电源电路进行全面的测试和优化。
仿真可以帮助工程师们预测电源电路的性能、稳定性和可靠性，并进行必要的调整和改进。
同时，仿真还可以帮助工程师们节省时间和成本，减少实际制造中的错误和故障。
四、电源电路仿真软件的选择在电源电路仿真中，选择合适的仿真软件至关重要。
目前市场上有许多电源电路仿真软件可供选择，如PSpice、LTspice、Simplis等。
这些软件具有不同的特点和优势，工程师们可以根据自己的需求来选择最适合的软件。
例如，PSpice是一款功能强大的仿真软件，适用于各种电源电路的设计和仿真。
五、电源电路仿真培训课件的内容电源电路仿真培训课件通常包括以下内容：1. 电源电路基础知识：介绍电源电路的基本概念、原理和分类，帮助学员们建立起对电源电路的整体认识。
2. 电源电路设计原则：介绍电源电路设计的基本原则和步骤，包括选择适当的拓扑结构、计算电路参数、选择元件等。
可调直流稳压电源仿真设计
可调直流稳压电源仿真设计
1. 确定电路原理图：根据电源的基本原理，确定各个元器件的型号、连接方式和参数，绘制电路原理图。
2. 建立仿真模型：在软件中建立电路的仿真模型，将电路原理图中的元器件、连接方式和参数输入到软件中。
3. 设定仿真参数：根据电源的要求，对仿真参数进行设定，例如输出电压、短路电流、负载调整范围等。
4. 进行仿真：通过软件进行仿真，根据不同的负载情况，观察输出电压稳定度、纹波等性能指标的变化情况。
5. 调整参数：根据仿真结果，对电源的参数进行调整，直到满足设计要求为止。
需要注意的是，在仿真过程中需要遵守安全规范，避免超过元器件的电压、电流等极限值，以免造成损坏。
同时还应该注意，仿真出来的结果只是一种理论计算值，实际使用时会受到各种因素的影响，需要进行实地测试。
第一节_开关电源DCM和CCM工作模式及仿真2013
– 水利、火力发电机： • 机械能、热能 – 干电池： • 化学能 – 计算机电源： • 交流电 – 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网 电网电能 电能 直流电 电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电 能的电能变换电源。 2013/7/7
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
500W～ 30kW
这类电源的共同特点：具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级 绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是 部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
2013/7/7 19
• 变压器副边电感方程：
I L 2 L Uo Ts
2L RTs
2＝
t
DTs iL
Uo 1 4K 1 2L M , 其中K＝ 2 Ui 2K D Ts R 在电感电流断续的情况下，Uo=DUi不成立。
U 1 I L ( D ) o ， 2 R I L L Ui 电感方程： DTs
s 2013/7/7
在电感电流断续的条件下，电路其它参数不 变而电路负载改变时，输出电压发生改变； 而在电感电流连续的情况下，输出电压不随 负载改变。 27
实际器件
iD
IL
Qrr
I RRM
uD
Vo
trr
iDS
I RRM
Ids
Vds
IL
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12
非理想变压器
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一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
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小信号模型电压控制CCM模式的升压变换器建模与设计
小信号模型电压控制CCM模式的升压变换器建模与设计摘要根据Boost变换器时变的、非线性的动态特性,分析了其工作模态和工作原理,利用状态空间平均法建立了其小信号模型,并按照其数学模型组建了电压控制模式闭环控制系统。
应用MATLAB对Boost变换器的电路模型和状态空间平均法数学模型进行仿真对比,仿真结果与理论分析一致,证明了所提出的建模方法的正确性。
对电压模式控制系统进行仿真,表明系统是稳定的。
给出了设计DC-DC变换器参数选择方法。
关键词Boost变换器;建模;电压控制模式;小信号;仿真;连续导通模式The Modeling and Design for Boost Converter of Small-signal Model V oltage Control CCM ModeAbstract For the time-variant and non-linear characteristics of Boost Converters,the operation modes and the work principle are analyzed. The small signal math model of Boost DC -DC converter is established using the state- space averaging method, The closed-loop control system of voltage mode control was built with mathematical models. the waveforms of simulations of typical Boost converter circuit models and mathematic models were compared by MATLAB software, Simulation results accord with theoretical analysis, showing the validity of proposed modeling method. The simulation result of the closed control system of voltage mode control shows the system is stabile. The method how to select parameter of DC -DC converter is presented.KeywordsBoost Converters;modeling;voltage mode control;small signal;simulation;CCM0 引言直流-直流升压变换器在单相功率因数校正(PFC)电路、电动机传动和其他交直流电源中得到广泛的应用[1-2]。
CCM模式Boost开关变换器的非线性建模和仿真
Ｓ Ｅ Ｙ ｎ Ｘ Ｅ Ｇ ａｇｕ ，Ｃ Ｅ Ｇ Ｘｎ Ｈ Ｎ ｏｇ， Ｉ ｕ ｎｊｎ Ｈ Ｎ ｉ
（ｃｏｌｆＥｅｔ ｎｃＳｉ ｃ ｎ ｐ ｌｄＰ ｙｉ ，Ｈｆｉ ｎｖｒｔ ｏ ｅ ｎｌ ｙ ｅｉ ３０ ９ ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｌ ｒ ｉ ｃ ｎｅ ｄＡ ｐｉ ｈｓｓ ｅ ｉ ｓｙ ｆＴｃ ｏ ｇ ，Ｈｆ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｃｏ ｅ ａ ｅ ｃ ｅ Ｕ ｅ ｉ ｈ ｏ ｅ２
Ｃ Ｍ 模 式 Ｂ ｏｔ 关 变 换 器 的 非 线 性 建 模 和 仿 真 术 Ｃ ｏｓ 开
沈 勇 ， 光 军 ， 解 程 心
（ 肥 工 业 大 学 电 子科 学 与 应 用 物理 学 院 ， 肥 ２０ ０ ） 合 合 ３０ ９
摘 要 ： 在开关元件平均模型法的思想基础上， 提出了一种工作在连续电感电流模式下的Ｄ —ＣＢｏ （ ｃＤ ｏｓ 升压） ｔ 变换器模型。
等效 为理想开 关和 导通 电阻 Ｒ 的 串联 ， 二极 管等效
为理想开关 、 向压降 、 正 导通 电阻 ，的 串联 ， Ｒ
项 目来源 ： 合肥工业大学学生创新基金资助（ Ｓ９９ ） Ｘ ０ ０ ２
ｒｐ ｌ ｆｉ ｄ ｃｏ ，ｗｅ ｇ ｔｉｅ ｌｔａ ｓｅ ｕ ｃｉ ｎ ａ ｄ ｎ ｎ ｉ ｅ ｌｔａ ｓｅ ｕ ｃｉｎ． Ａｆｅ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒｓｎ ｏ ｉ ｐ ｅ ｏ ｎ ｕ ｔｒ ｅ ｄ ａ ｒ ｎ ｆｒｆ ｎ ｔ ｎ ｏ －ｄ ａ ｒ ｎ ｆｒｆ ｎ ｔｏ ｏ ｔｒｓｍｕ ａｉ ｏ ｎ ｏ ａ ｉｏ ｆ ｔａ ｓｅ ｕ ｃｉｎ ，ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｆｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｕ ｒ ｎ ｐ ｌ ｆｉ ｄ ｃ ｏ ｓｍｏ ｅ ａ ｃ ｒｔ ｄ ｃ ｏ ｅ ｔ ｈ ｃｕ ． ｒ ｆｒｆ ｎ ｔ ｓ ｈ ｄ ｌｏ ｏ ｓｄ ｒ ｇ ｃ ｒｅ ｔｒ ｐ ｅ ｏ ｎ ｕ ｔｒｉ ｒ ｃ ｕ ａｅ ａ ｌｓ ｏ ｔｅ ａ ｔ ａ ｎ ｏ ｉ ｉ ｎ １ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｃ ｎｉ ｕ ｕ ｏ ｄ ｃｉ ｎ ｍｏ ｅ；Ｂｏ ｓ ｏ ｖ ￣ｅ ｓ Ｓ ｔｈ ａ ｅａ ｅ ｍ ｏ ｅ ｏ ｔ ｏ ｓｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｎ ｏ ｏ ｔｃ ｎ ｅ ｒ ； ｗｉ ｖ ｒ ｇ ｄ ｌ ｃ ＥＥＡＣ Ｃ ：６ ３ ２ ０Ｂ
电源反馈设计速成篇之五设计篇 (Voltage mode, CCM)
电源反馈设计速成篇之五: 设计篇 (Voltage mode, CCM)设计的目的是为了系统稳定且有足够频率响应使系统在负载变化时得到较小的电压波动.传统的无差运放调节器分为一类(Type 1), 二类(Type 2)和三类(Type 1), 对应其有一个, 两个和三个极点.图1为Type 1补偿器. 其传递函数为一积分器.应用Type1补偿器时，为了系统稳定，剪切频率必须远在LC 谐振双极点之前．一般应用于对负载变化要求不高的场合．1111C R s G I ⋅⋅= 图2为Type 2补偿器, 其传递函数为)/1()/1(1)(1211p z II s s s C C R G ωω++⋅⋅+⋅=, 其中212121C C C C R p +⋅⋅=ω，221C R z ⋅=ω 图3为Type 2补偿器波特图．相比Type1多引入了一个零点和极点，零点在前极点在后因此可以提升相位，推高剪切频率提高系统响应速度．图4为Type 2补偿器系统设计波特图，黑色为主电路开环频率响应，粉红色为补偿器频率响应，蓝色为整个系统开环回路增益(Loop Gain)，虚线为运放开环增益．剪切频率可在LC 谐振双极点之后．其前提是ESR 零点在剪切频率之前靠近LC 谐振双极点，否则相位裕量不够．设计要点是放零点在LC 谐振双极点之前如0.1倍处，极点在0.5倍开关频率之前以衰减高频噪声．图5为Type 3补偿器波特图．相比Type2又多引入了一个零点和极点，零点在前极点在后因此可以提升更多相位，推高剪切频率提高系统响应速度．图6为Type 3补偿器系统设计波特图，黑色为主电路开环频率响应，粉红色为补偿器频率响应，蓝色为整个系统开环回路增益(Loop Gain)，虚线为运放开环增益．剪切频率可在LC 谐振双极点之后．设计要点是放两个零点在LC 谐振双极点之前如0.5和1倍处以抵消LC 谐振双极点，一个极点在ESR 零点处抵消ESR 零点,处另一个极点在0.5倍开关频率之前以衰减高频噪声．图1. Type 1补偿器图2. Type 2补偿器图3. Type 2补偿器波特图图４. Type 2补偿器系统设计波特图图5. Type 3补偿器图6. Type 3补偿器波特图图7. Type 3补偿器系统设计波特图Type 2补偿器, 其传递函数为)/1()/1()/1()/1(1)(12121211p p z z III s s s s s C C R G ωωωω+⋅++⋅+⋅⋅+⋅=, 其中2121211C C C C R p +⋅⋅=ω，3321C R p ⋅=ω,2211C R z ⋅=ω, 3312)(1C R R z ⋅+=ω 设计例子: Vin=5V, Vout=3.3V, Fsw=300kHz, Cout=990uF, ESR=5mohm, L=900nH, DCR=3mohm, 剪切频率希望在90kHz, 相位裕量45度.Type 2设计: R1=4.12k, R2=124k, C1=8.2pF, C2=2.2nF, 设计结果如图8所示. 相位裕量不到45度, Type 2已经无能为力了.Type3 设计: R1=4.12k, R2=20.5k, R3=150ohm, C1=0.22nF, C2=2.7nF, C3=6.8nF, 设计结果如图9所示. 相位裕量45度有余.原文是Intersil Technical Brief 417(TB417). 有兴趣的可看原文. 图画的不错就拷贝来了.这里的设计方法仅限于已知电容量大小, 对模块电源来说, 不接电容和接不同类型电容都要稳定, 则剪切频率不可能太高,Type 1或Type 2或其他类型补偿器也能使用, 因根据实际情况加以调整而不可拘泥.图8. Type 2设计结果图9. Type 3设计结果。
CCM型Boost变换器建模及低频动态特性分析
CCM型Boost变换器建模及低频动态特性分析CCM型Boost变换器建模及低频动态特性分析摘要：Boost变换器是一种广泛应用于电力电子领域的DC-DC转换器，它能将低电压提升为高电压输出。
本文对连续导通模式（CCM）下的Boost变换器进行了建模，并分析了其在低频动态方面的特性。
首先，本文对Boost变换器的工作原理进行了介绍。
Boost变换器主要由一个电感、一个开关器件（如MOSFET）和一个输出滤波电容组成。
在工作过程中，开关器件周期性地打开和关闭，控制电感上的电流。
当开关器件关闭时，电感中的电流通过二极管提供给输出负载，同时也进行能量存储。
当开关器件打开时，电感中的能量释放给负载和输出滤波电容。
通过不断重复这一过程，Boost变换器能够稳定输出所需的高电压。
接着，本文对CCM下的Boost变换器进行了建模。
首先，根据电感电流的变化规律，建立了电感电流方程。
然后，根据开关器件的开关状态，建立了开关器件电压方程。
结合以上两个方程，可以得到Boost变换器的传输函数，实现对其电流和电压的分析。
本文进一步对Boost变换器的低频动态特性进行了分析。
低频动态特性是指在输出负载变化较慢的情况下，Boost变换器对输入和输出的响应情况。
我们通过改变输入电压和负载电流来研究Boost变换器在稳态和瞬态下的响应特性。
在稳态情况下，通过改变输入电压，我们可以观察到输出电压的变化情况。
在瞬态情况下，通过改变负载电流，我们可以观察到输出电压的瞬时变化。
最后，通过实验验证了本文建立的模型和分析结果。
首先搭建了Boost变换器的实验电路，并使用示波器测量了输入和输出的波形。
然后，通过调节输入电压和负载电流的大小，观察了Boost变换器的输出响应情况。
实验结果表明，本文建立的模型可以准确描述Boost变换器的动态特性。
综上所述，本文对CCM型Boost变换器进行了建模，并分析了其低频动态特性。
建立的模型能够准确描述Boost变换器的工作原理和电压电流的变化规律，对于Boost变换器的设计和性能评估具有重要意义。
电源反馈设计速成篇之八建模篇(Peak Current Mode)
电源反馈设计速成篇之八: 建模篇(Peak Current Mode) 图1为Peak Current Mode 等效小信号模型. Vg为输入电压, Vo为输出电压, io 为输出电流, iL 为电感电流, d为占空比, Vc为反馈控制电压. Gvg为Vg到Vo的传递函数, Gvd为d 到Vo的传递函数, Gig, Gio, Gid分别为Vg, io, d到iL的传递函数, Zo为开环输出阻抗, Fm为等效调制比(Voltage Mode就是三角波幅度倒数, Current Mode是电压和电流的综合),Kf和Kr是考虑了Vg和Vo的扰动影响, 其值很小, 一般忽略没有大的影响. Hv是电压反馈环, Hi是电流采样系数, 负号表示负反馈. 如果是采样电阻的CIC(Current Injection Control)法, Hi就是采样电阻,如果是电感电压的SCM(Standard Current Mode)法, Hi要根据具体电路求得. Current Mode的精髓是要知道电感的di/dt.Gvg, Gvd, Zo, Gig, Gid, Gio这些传递函数都可以由Voltage Mode得到. 不再赘述.图1. Peak Current Mode等效小信号模型He 是等效采样保持传递函数1)(−⋅=⋅sT s se e T s s HTs 为开关周期.如下表:: Ri 为电流取样电阻, 即Hi.可以证明, 不论Ri 去多大, 电流内环都一样, 因为Fm 可以和Ri 对消．一般Ri 由功耗等决定．定义s e n s n c m T S S T S m F )(11+==, ne cS S m +=1Ts 为开关周期, Se 为外加斜坡补偿三角波幅值, Sn 为电感电流采样等效三角波幅值. mc 为衡量斜坡补偿效果系数, mc=1即Se=0, 为纯电流控制，mc>>1既外加斜坡补偿>>电感电流采样等效三角波幅值, 退化为Voltage Mode.一般mc=1.5-2.Hv 为设计参数，一般用Type2补偿，零点决定响应快慢，极点补偿ESR 零点，ＲＨＰ零点，或1/2开关频率，三者取其低的值.以上为CCM Mode, 如果为DCM mode, 则开环参数为DCM mode 下的各个参数, 如下表:图1为整个系统的信号流图, 在推导小信号公式时有很多变量为零, 可大大简化. 以控制到输出传递函数为例, 图2为buck 电路, 图3为buck 小信号模型和控制到输出信号流图.V in图2. Buckd*Vap/Dvc图3. Buck 小信号模型和控制到输出信号流图可以求得电流内环开环回路增益Ti 为)()(s G s H H F T id e i m i ⋅⋅⋅=,电阻取样Hi=Ri, 否则要另行计算, 和具体电路有关. 当电流内环闭环时, 控制到输出传递函数Goc 为)(1)(s G F K T s G F G vd m r i vd m oc ⋅⋅−+⋅=电压回路增益Tv 为)()(s G s H F T vd v m v ⋅⋅=, Hv(s)为要设计的反馈部分.电压外环回路增益T2为ivT T T +=12, 根据T2来看相位和幅值裕量. 电流环闭合后输出阻抗Zoicl 为gi vd m e i vd o oicl V T s G F s H H s G s Z Z ⋅+⋅⋅⋅⋅+=)1()()()()(, Zo(s)为开环输出阻抗.电流环和电压环都闭合后输出阻抗Zovcl 为ivd m r vd m v oiclovcl T s G F K s G F s H Z Z +⋅⋅−⋅⋅+=1)()()(1 例子 Buck 电路:Vg 11:=L 37.5106−⋅:= Rc 0.02:= C 400106−⋅:= Fs 50103⋅:= Vo 5:= R 1:=Ri 0.33:=Sn Vg Vo −L Hi ⋅:= Sn 5.28104×=Fm mc ()1mc Sn ⋅Ts ⋅:=mc 设为变量, 对Hv 零点和极点的选取:选择 wzc 使Settling time 为 0.5ms,wzc 10.5103−⋅:=wzc 2103×=选择wpc 为 ESR 零点, RHP 零点, 1/2 开关频率, 三者的低频:w ZESR 1.25105×=ws 2π⋅Fs ⋅:= 0.5ws 1.571105×= 因没有RHP 零点, ESR 零点比1/2 开关频率低, 取wpc w ZESR :=wpc 1.25105×= Rx 103:=Ry 103:=Hv s wi ,()Ry Rx Ry +wis1swzc +1s wpc+⋅:=Kr Ts Ri⋅2L ⋅:=Kr 0.088=Kf D −Ts ⋅Ri⋅L1D 2−⎛⎜⎝⎞⎟⎠⋅:=Kf 0.062−=图4为电流内环闭环时, 控制到输出传递函数Goc, 参变量mc 为1,1.2,1.5,2,4. Mc=1.5 –2时系统相位和幅值变化平稳. 选取mc=1.5.变化wi 不会改变Hv 相位, 选取 wi 以满足相位和幅值裕量要求. 图5给出了T2和wi 关系. 选取 wi = 40000, 剪切频率fc=13253 Hz, 相位和幅值裕量 55 degree, 6 dB.图6为求得反馈部分电阻,电容值后电流内环闭环时, 控制到输出传递函数Goc, mc=1为纯电流控制, mc=1.5为外加斜坡补偿的优化设计.图7为电流环闭合后输出阻抗Zoicl, mc=1为纯电流控制, mc=1.5为外加斜坡补偿的优化设计.图8为电流环和电压环都闭合后输出阻抗Zoicl, mc=1为纯电流控制, mc=1.5为外加斜坡补偿的优化设计.图9-11分别为mc=1时的PSPICE 仿真结果, 用来验证公式的正确.101001.1031.1041.1051.10660402020gain Goc 2i π⋅f n ⋅1,()()gain Goc 2i π⋅f n ⋅ 1.2,()()gain Goc 2i π⋅f n ⋅ 1.5,()()gain Goc 2i π⋅f n ⋅2,()()gain Goc 2i π⋅f n ⋅4,()()f n101001.1031.1041.1051.10620015010050180−phase Goc 2i π⋅f n ⋅1,()()phase Goc 2i π⋅f n ⋅ 1.2,()()phase Goc 2i π⋅f n ⋅ 1.5,()()phase Goc 2i π⋅f n ⋅2,()()phase Goc 2i π⋅f n ⋅4,()()f n图4. 电流内环闭环控制到输出传递函数Goc101001.1031.1041.1051.10660303060gain T22i π⋅f n ⋅ 1.5,10000,()()gain T22i π⋅f n ⋅ 1.5,20000,()()gain T22i π⋅f n ⋅ 1.5,40000,()()gain T22i π⋅f n ⋅ 1.5,100000,()()gain T22i π⋅f n ⋅ 1.5,200000,()()f n101001.1031.1041.1051.10630025020015010050180−phase T22i π⋅f n ⋅ 1.5,10000,()()phase T22i π⋅f n ⋅ 1.5,20000,()()phase T22i π⋅f n ⋅ 1.5,40000,()()phase T22i π⋅f n ⋅ 1.5,100000,()()phase T22i π⋅f n ⋅ 1.5,200000,()()f n图5. 电压外环回路增益T2 和wi 关系1101001.1031.1041.1051.1068060402020gain Goc 2i π⋅f n ⋅1,()()gain Goc 2i π⋅f n ⋅mc,()()f n1101001.1031.1041.1051.10620015010050180−phase Goc 2i π⋅f n ⋅1,()()phase Goc 2i π⋅f n ⋅mc,()()f n图6. 电流内环闭环控制到输出传递函数Goc (mc=1, 1.5)1101001.1031.1041.1051.10640302010gain Zoicl 2i π⋅f n ⋅1,()()gain Zoicl 2i π⋅f n ⋅mc ,()()f n1101001.1031.1041.1051.10680604020phase Zoicl 2i π⋅f n ⋅1,()()phase Zoicl 2i π⋅f n ⋅mc,()()f n图7.电流环闭合后输出阻抗Zoicl (mc=1, 1.5)1101001.1031.1041.1051.10680604020gain Zovcl 2i π⋅f n ⋅1,wi,()()gain Zovcl 2i π⋅f n ⋅mc ,wi,()()f n1101001.1031.1041.1051.106200100100180−phase Zovcl 2i π⋅f n ⋅1,wi ,()()phase Zovcl 2i π⋅f n ⋅mc ,wi ,()()f n图8. 电流环和电压环都闭合后输出阻抗Zovcl (mc=1, 1.5)图9. Pspice 结果:电流内环闭环控制到输出传递函数Goc (mc=1)图10. Pspice 结果: 电流环闭合后输出阻抗Zoicl (mc=1)图11. Pspice 结果: 电流环和电压环都闭合后输出阻抗Zovcl (mc=1)。
DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统
DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统DCDC Buck转换器是一种常见的直流-直流电源转换电路，广泛应用于电子设备中。
反激型的Buck转换器常常用于需要降压转换的电源系统中，提供稳定的低压输出电压。
为了更好地理解和设计DCDC Buck转换器，采用CCM（连续导电模式）控制方式是一种常见的设计方法。
CCM设计可以实现更稳定的输出电压，更低的输出纹波以及更好的动态响应。
因此，本文将重点介绍DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统。
1. 系统概述DCDC Buck转换器CCM设计与仿真系统主要由以下模块组成：1.1 输入电源模块：提供输入电压给DCDC Buck转换器，一般为直流电压。
1.2 Buck转换器模块：实现降压转换功能，将输入电压转换为所需的稳定输出电压。
1.3 控制模块：采用CCM控制方式，监测输出电压并根据反馈信号进行控制调节，以实现稳定输出。
1.4 仿真模块：使用电路仿真工具进行DCDC Buck转换器的性能分析和仿真。
2. CCM设计步骤2.1 确定输入和输出电压：根据实际需求确定DCDC Buck转换器的输入和输出电压。
2.2 选择合适的开关元件：根据输入电压和输出电压的范围选择合适的开关元件，如MOSFET。
2.3 确定开关频率：选择合适的开关频率，一般较高的开关频率可以减小输出纹波并提高效率。
2.4 确定电感和输出电容：根据输入电压、输出电压以及所需纹波电流确定合适的电感和输出电容。
2.5 设计反馈控制回路：根据采用的控制策略设计反馈控制回路，监测输出电压并提供反馈信号。
2.6 仿真分析：使用仿真工具进行性能分析和仿真，评估设计的稳定性、效率和输出纹波等参数。
3. 仿真系统介绍在DCDC Buck转换器CCM设计过程中，借助电路仿真工具能够有效地分析和优化设计方案。
下面将详细介绍仿真系统的几个关键功能。
3.1 输入参数设置：仿真系统提供设置输入电压、输出电压、开关频率、电感和输出电容等参数的功能。
CCM模式下非理想Buck变换器的建模与仿真
态小信号特性分析 ： 接着在此基础上 ， 设计补偿 网络， 实现闭环控制 ； 最后借 助 ＭＡ Ｌ Ｂ软 件进行仿 真 ， ＴＡ 与补偿前 的仿真 图形
进 行 比较 分 析 得 出结 论 。
关键 词 ：ｕｋ Ｂｃ 变换器； 能量守恒； 开关网络平均模型法； 补偿网络
中图分 类号 ： Ｍ９ ０ Ｔ ３
Ｘ Ａ ｈａ ， ＵＨ ｉ ｎ ，Ｉ ｕ ｎ］ｎ Ｕ Ｎ Ｃ ｕｎ Ｘ ｕ ａｇ ＸＥ Ｇ ａｇ ｆ ｕ
（ｃｏｌｆＥｅｔ ｎ ｃ ｎｅａｄＡｐｉ ｈｓ ｓＨｆｉ ｎｖｒｔ ｏ ｅ ｎ ｌ ｙＨｆｉ ３０ ９，ｈｎ ） Ｓｈｏ ｌ ｒ ｉＳｉ ｃ ｎ ｐ ｌｄＰ ｙｉ ， ｅ ｉ ｓｙ ｆＴｃ ｏ ｇ ，ｅ ００ Ｃ ｉａ ｏ ｃｏ ｃ ｅ ｅ ｃ ｅ Ｕ ｅ ｉ ｈ ｏ ｅ２
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ５ ９ ９ （ ０ ２ ０ — ０ ０ ０ １０ — ４０ ２１ ）１ ０ ７ － ５
随着 Ｄ —Ｃ变 换器 技术 的迅猛 发 展 ， 开关 电 ＣＤ 对 源 的建模 方法 提 出 了更 高 的要 求 。电路 中 的很 多非 理 想 因素都要 考 虑 ， 了能 用 理想 变 换 器 的建 模 方 为
CCM模式反激变压器的设计
CCM连续电流模式反激变压器的设计一. 序言反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计.二.反激式变换器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式变换器的电路结构如图一.2).当开关管Q1导通时,其等效电路如图二(a)及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二(b).当Q1导通,T1之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中.由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的,因此二极管D1不会导通,输出功率则由Co来提供.此时变压器相当于一个串联电感Lp,初级线圈电流Ip可以表示为:Vdc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.当Q1截止时, 其等效电路如图三(a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b).当Q1截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.当∆B向负的方向改变时(即从Bw降低到Br),在变压器所有线圈之电压极性将会反转,并使D1导通,也就是说储存在变压器中的能量会经D1,传递到Co 和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时,还有能量储存在变压器中,次级电流并没有降低到0值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).三.CCM模式下反激变压器设计的步骤1. 确定电源规格.1..输入电压范围Vin=85—265Vac;2..输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;3..变压器的效率ŋ=0.902. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n).最低输入电压Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低频纹波为20V).根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)]n=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.644. 变压器初级峰值电流的计算.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v和+12v整流二极管的正向压降均为1.0V. +5V输出功率Pout1=(V01+V f)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V输出功率Pout2=(V02+V f)*I02=13*1=13W变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W如图四, 设Ip2=k*Ip1, 取k=0.41/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ŋIp1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]=3.00AIp2=0.4*Ip1=1.20A5. 变压器初级电感量的计算.由式子Vdc=Lp*dip/dt,得:Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2]=100*4.5/[3.00-1.20]=250uH6.变压器铁芯的选择.根据式子Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=85WKo(窗口的铜填充系数)=0.4Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体),变压器磁通密度Bm=1500 Gsj(电流密度): j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]=0.157cm4考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:EER2834S铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.854cm2它的窗口面积Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘积为Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4故选择EER2834S铁氧体磁芯.7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)=0.556mm 取lg=0.6mm2). 当+5V限流输出,Ip为最大时(Ip=Ip1=3.00A),检查Bmax.Bmax=Lp*Ip/[Ae*Np]=250*10-6*3.00/[85.4 mm2*36]=0.2440T=2440Gs <3000Gs因此变压器磁芯选择通过.8. 变压器次级匝数的计算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7故初次级实际匝比:n=36/3=129.重新核算验证占空比Dmax和Dmin.1).当输入电压为最低时: Vin(min)=100Vdc.由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:Dmax=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(min)]=6*12/[6*12+100]=0.4182).当输入电压为最高时: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(max)]=6*12.00/[6*12.00+374.7]=0.1610. 重新核算验证变压器初级电流的峰值Ip和有效值Ip(rms).1).在输入电压为最低Vin(min)和占空比为Dmax条件下,计算Ip值和K值.(如图五)设Ip2=k*Ip1.实际输出功率Pout'=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout'/ŋ(1)K=1-[Vin(min)* Ton(max)]/(Ip1*Lp) (2)由(1)(2)得:Ip1=1/2*{2*Pout'*T/[ŋ* Vin(min)*Ton(max)]+Vin(min)* Ton(max)/Lp}=0.5*{2*73*10/[0.90*100*4.18]+100*4.18/250.0}=2.78AK=1-100*4.18/[2.78*250]=0.40Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2).初级电流有效值Ip(rms)=[Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)]1/2=[0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)] 1/2=1.30A11. 次级线圈的峰值电流和有效值电流计算:当开关管截止时, 变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.因此开关管截止时,初级峰值电流与匝数的乘积等于次级各绕组匝数与峰值电流乘积之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路输出的次级电流波形是随各组负载电流的不同而不同, 因而次级电流的有效值也不同.然而次级负载电流小的回路电流波形,在连续时接近梯形波,在不连续时接近三角波,因此为了计算方便,可以先计算负载电流小的回路电流有效值.1).首先假设+12V输出回路次级线圈的电流波形为连续,电流波形如下(图一):1/2*[Is2p +Is2b]*toff/T=I02(3)Ls1*[Is2p–Is2b]/toff=V02+Vf (4)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*{2*I02/[1-D]+[V02+Vf]*[1-D]*T*Np2/[Ns22*Lp]}=0.5*{2*1/[1-0.418]+[12+1]*[1-0.418]*10*362/[72*250]}=5.72AIs2b =I01/[1-D]-1/2*[V01+Vf]*[1-D]*Np2/[Ns22*Lp]=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/[72*250]=-2.28A <0因此假设不成立.则+12V输出回路次级线圈的电流波形为不连续, 电流波形如上(图七).令+12V整流管导通时间为t’.将Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:1/2*Is2p*t’/T=I02(6)Ls1*Is2p/t’=V02+Vf (7)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(8)由(6)(7)(8)式得:Is2p={(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/[Lp*Ns22]}1/2={2*1*[12+1]*10*362/[72*250]} 1/2=5.24At’=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us2).+12V输出回路次级线圈的有效值电流:Is2(rms)= [t’/(3T)]1/2*Is2p=[3.817/3*10] 1/2*5.24=1.87A3).+5v输出回路次级线圈的有效值电流计算:Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算.1).导线横截面积:前面已提到,取电流密度j=5A/mm2变压器初级线圈:导线截面积= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2变压器次级线圈:(+5V)导线截面积= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2(+12V)导线截面积= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm22).线径及根数的选取.考虑导线的趋肤效应,因此导线的线径建议不超过穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/(f)1/2k为材质常数,Cu在20℃时k=1.=66.1/(100*103)1/2=0.20因此导线的线径不要超过0.40mm.由于EER2834S骨架宽度为22mm,除去6.0mm的挡墙宽度,仅剩下16.0mm的线包宽度.因此所选线径必须满足每层线圈刚好绕满.3).变压器初级线圈线径:线圈根数=0.26*4/[0.4*0.4*3.14]=0.26/0.1256=2取Φ0.40*2根并绕18圈,分两层串联绕线.4).变压器次级线圈线径:+5V: 线圈根数=3.74/0.1256=30取Φ0.40*10根并绕3圈, 分三层并联绕线.+12V: 线圈根数=0.374/0.1256=3取Φ0.40*1根并绕7圈, 分三层并联绕线.5).变压器绕线结构及工艺.为了减小变压器的漏感,建议采取三文治绕法,而且采取该绕法的电源EMI性能比较好.四.结论.由于连续模式下电流峰值比不连续模式下小,开关管的开关损耗较小,因此在功率稍大的反激变换器中均采用连续模式,且电源的效率比较高.由于反激式变压器的设计是反激变换器的设计重点,也是设计难点,如果参数不合理,则会直接影响到整个变换器的性能,严重者会造成磁芯饱和而损害开关管,因此在设计反激变压器时应小心谨慎,而且变压器的参数需要经过反复试验才能达到最佳.。
基于CCM的单相Boost-PFC电路的设计与仿真
基于CCM的单相Boost-PFC电路的设计与仿真基于CCM的单相Boost PFC电路的设计与仿真摘要近年来，为了避免“电网污染”，如何抑制谐波电流、提高功率因数成了备受关注的问题，而有源功率因数校正技术正是行之有效的方法。
尤其是在单相Boost型电路中得到了广泛的应用。
它是在桥式整流器与负载接一个DC-DC变换器，应用控制电路的电压电流双环反馈，使电网输入电流波形趋于正弦化且相位保持与输入电压相同，从而大幅降低THD,使得PF接近于1。
交流输入电压通过全桥后，得到全波整流电压，再经过MOS 管的开关控制使输入电流自动跟随输入电压基准的正弦化脉动，并获得稳定的升压输出，给负载提供直流电压源。
本文先简要介绍了功率因数校正技术的现状与发展，着重讨论了有源功率因数校正的原理、拓扑结构、控制方式等内容，然后对控制器UC3854进行了简单的构造分析，最后设计出基于UC3854芯片CCM工作模式的Boost PFC电路。
关键词：有源功率因数校正，Boost变换器，电流连续模式，平均电流控制，UC3854ABSTRACTIn recent years, in order to avoid "grid pollution", how to suppress the harmonic current, improve the power factor has become a concern, and active power factor correction technology is an effective method. Especially in single-phase Boost-type circuit has been widely used. It is in the bridge rectifier and the load connected to a DC-DC converter, the application of the control circuit voltage and current double loop feedback, so that the grid input current waveform tends to be sinusoidal and phase to maintain the same with the input voltage, thereby significantly reducing the THD, making PF close In 1. AC input voltage through the full bridge, the full-wave rectifier voltage, and then through the MOS tube switch control so that the input current automatically follows the input voltage reference sinusoidal pulsation, and obtain a stable boost output to the load to provide DC voltage source.In this paper, the present situation and development of power factor correction technology are briefly introduced. The principle, topology and control mode of active power factor correction are discussed emphatically. Then, the simple structure analysis of controller UC3854 is carried out. Finally, Chip CCM operating mode Boost PFC circuit.Keywords: Active Power Factor Correction, Boost converter, Current Continuous Mode, Average current control, UC3854目录1绪论 (1)1.1 功率因数校正的背景意义 (1)1.2 功率因数校正的发展概述 (1)1.3功率因数校正的实现方法分类 (2)1.3.1按PFC电路使用的元器件分类 (2)1.3.2 按供电方式分类 (2)1.3.3 按PFC电路的级联方式分类 (2)1.3.4 按PFC电路的电路拓扑结构分类 (2)1.4 本文所做的主要工作 (2)2 功率因数校正原理 (4)2.1 功率因数 (4)2.1.1 功率因数的定义 (4)2.1.2 功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系 (4)2.1.3功率因数校正的任务 (4)2.1.4电源电流波形失真原因简析 (5)2.2 有源功率因数校正的基本原理 (5)2.3 有源功率因数校正的拓扑结构 (6)2.4 有源功率因数校正的工作模式及控制方式 (7)2.4.1电流断续模式（Discontinuous Current Mode,DCM） (8)2.4.2电流临界模式（Boundary Conduction Mode,BCM） (8)2.4.3电流连续模式（Continuous Current Mode,CCM） (9)3 PFC主电路主要元器件的参数设计 (13)3.1本PFC电路的设计指标 (13)3.2 Boost变换器的工作原理 (13)3.3主电路元器件的参数设计 (15)3.1.1开关频率的选择 (15)3.1.2升压电感的选择 (15)3.1.3输出电容的选择 (16)3.1.4开关管和二极管的选择 (16)4基于UC3854控制电路的设计 (17)4.1 UC3854控制器概述 (17)4.2 UC3854控制器的内部结构和功能特点 (17)4.2.1 UC3854控制器的内部结构 (17)4.2.2 UC3854控制器的功能特点 (18)4.3 UC3854控制电路各参数设计 (20)4.3.1 电流感测电阻的选择 (20)4.3.2 峰值电流限制 (20)4.3.3 前馈电压信号 (20)4.3.4 乘法器的设定 (21)4.3.5 乘法器的输入电流 (21)4.3.6 乘法器的输出电流 (21)4.3.7 振荡器的频率 (22)4.3.8 电流误差放大器的补偿 (22)4.3.9 电压误差放大器的补偿 (23)4.3.10 前馈电压滤波电容 (23)4.4 UC3854的仿真电路及仿真波形展示 (24)总结 (29)致谢 (30)参考文献.................................................................................................................... 错误!未定义书签。
CCM模式反激变压器的设计
CCM连续电流模式反激变压器的设计一. 序言反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计.二.反激式变换器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式变换器的电路结构如图一.2).当开关管Q1导通时,其等效电路如图二(a)及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二(b).当Q1导通,T1之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中.由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的,因此二极管D1不会导通,输出功率则由Co来提供.此时变压器相当于一个串联电感Lp,初级线圈电流Ip可以表示为:Vdc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.当Q1截止时, 其等效电路如图三(a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b).当Q1截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.当∆B向负的方向改变时(即从Bw降低到Br),在变压器所有线圈之电压极性将会反转,并使D1导通,也就是说储存在变压器中的能量会经D1,传递到Co 和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时,还有能量储存在变压器中,次级电流并没有降低到0值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).三.CCM模式下反激变压器设计的步骤1. 确定电源规格.1..输入电压范围Vin=85—265Vac;2..输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;3..变压器的效率ŋ=0.902. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n).最低输入电压Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低频纹波为20V).根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)]n=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.644. 变压器初级峰值电流的计算.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v和+12v整流二极管的正向压降均为1.0V. +5V输出功率Pout1=(V01+V f)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V输出功率Pout2=(V02+V f)*I02=13*1=13W变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W如图四, 设Ip2=k*Ip1, 取k=0.41/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ŋIp1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]=3.00AIp2=0.4*Ip1=1.20A5. 变压器初级电感量的计算.由式子Vdc=Lp*dip/dt,得:Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2]=100*4.5/[3.00-1.20]=250uH6.变压器铁芯的选择.根据式子Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=85WKo(窗口的铜填充系数)=0.4Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体),变压器磁通密度Bm=1500 Gsj(电流密度): j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]=0.157cm4考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:EER2834S铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.854cm2它的窗口面积Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘积为Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4故选择EER2834S铁氧体磁芯.7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)=0.556mm 取lg=0.6mm2). 当+5V限流输出,Ip为最大时(Ip=Ip1=3.00A),检查Bmax.Bmax=Lp*Ip/[Ae*Np]=250*10-6*3.00/[85.4 mm2*36]=0.2440T=2440Gs <3000Gs因此变压器磁芯选择通过.8. 变压器次级匝数的计算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7故初次级实际匝比:n=36/3=129.重新核算验证占空比Dmax和Dmin.1).当输入电压为最低时: Vin(min)=100Vdc.由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:Dmax=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(min)]=6*12/[6*12+100]=0.4182).当输入电压为最高时: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(max)]=6*12.00/[6*12.00+374.7]=0.1610. 重新核算验证变压器初级电流的峰值Ip和有效值Ip(rms).1).在输入电压为最低Vin(min)和占空比为Dmax条件下,计算Ip值和K值.(如图五)设Ip2=k*Ip1.实际输出功率Pout'=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout'/ŋ(1)K=1-[Vin(min)* Ton(max)]/(Ip1*Lp) (2)由(1)(2)得:Ip1=1/2*{2*Pout'*T/[ŋ* Vin(min)*Ton(max)]+Vin(min)* Ton(max)/Lp}=0.5*{2*73*10/[0.90*100*4.18]+100*4.18/250.0}=2.78AK=1-100*4.18/[2.78*250]=0.40Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2).初级电流有效值Ip(rms)=[Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)]1/2=[0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)] 1/2=1.30A11. 次级线圈的峰值电流和有效值电流计算:当开关管截止时, 变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.因此开关管截止时,初级峰值电流与匝数的乘积等于次级各绕组匝数与峰值电流乘积之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路输出的次级电流波形是随各组负载电流的不同而不同, 因而次级电流的有效值也不同.然而次级负载电流小的回路电流波形,在连续时接近梯形波,在不连续时接近三角波,因此为了计算方便,可以先计算负载电流小的回路电流有效值.1).首先假设+12V输出回路次级线圈的电流波形为连续,电流波形如下(图一):1/2*[Is2p +Is2b]*toff/T=I02(3)Ls1*[Is2p–Is2b]/toff=V02+Vf (4)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*{2*I02/[1-D]+[V02+Vf]*[1-D]*T*Np2/[Ns22*Lp]}=0.5*{2*1/[1-0.418]+[12+1]*[1-0.418]*10*362/[72*250]}=5.72AIs2b =I01/[1-D]-1/2*[V01+Vf]*[1-D]*Np2/[Ns22*Lp]=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/[72*250]=-2.28A <0因此假设不成立.则+12V输出回路次级线圈的电流波形为不连续, 电流波形如上(图七).令+12V整流管导通时间为t’.将Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:1/2*Is2p*t’/T=I02(6)Ls1*Is2p/t’=V02+Vf (7)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(8)由(6)(7)(8)式得:Is2p={(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/[Lp*Ns22]}1/2={2*1*[12+1]*10*362/[72*250]} 1/2=5.24At’=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us2).+12V输出回路次级线圈的有效值电流:Is2(rms)= [t’/(3T)]1/2*Is2p=[3.817/3*10] 1/2*5.24=1.87A3).+5v输出回路次级线圈的有效值电流计算:Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算.1).导线横截面积:前面已提到,取电流密度j=5A/mm2变压器初级线圈:导线截面积= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2变压器次级线圈:(+5V)导线截面积= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2(+12V)导线截面积= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm22).线径及根数的选取.考虑导线的趋肤效应,因此导线的线径建议不超过穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/(f)1/2k为材质常数,Cu在20℃时k=1.=66.1/(100*103)1/2=0.20因此导线的线径不要超过0.40mm.由于EER2834S骨架宽度为22mm,除去6.0mm的挡墙宽度,仅剩下16.0mm的线包宽度.因此所选线径必须满足每层线圈刚好绕满.3).变压器初级线圈线径:线圈根数=0.26*4/[0.4*0.4*3.14]=0.26/0.1256=2取Φ0.40*2根并绕18圈,分两层串联绕线.4).变压器次级线圈线径:+5V: 线圈根数=3.74/0.1256=30取Φ0.40*10根并绕3圈, 分三层并联绕线.+12V: 线圈根数=0.374/0.1256=3取Φ0.40*1根并绕7圈, 分三层并联绕线.5).变压器绕线结构及工艺.为了减小变压器的漏感,建议采取三文治绕法,而且采取该绕法的电源EMI性能比较好.四.结论.由于连续模式下电流峰值比不连续模式下小,开关管的开关损耗较小,因此在功率稍大的反激变换器中均采用连续模式,且电源的效率比较高.由于反激式变压器的设计是反激变换器的设计重点,也是设计难点,如果参数不合理,则会直接影响到整个变换器的性能,严重者会造成磁芯饱和而损害开关管,因此在设计反激变压器时应小心谨慎,而且变压器的参数需要经过反复试验才能达到最佳.。