1 反激式开关电源典型设计
图l是为变频器设计的反激式开关电源的典型电路,主要包括交流输入整流电路,反激式开关电源功率级电路(有PWM控制器、MOS管、变压器及整流二极管组成),RCD缓冲电路和反馈网络。其中PWM控制芯片采用UC2844。UC2844是电流模式控制器,芯片内部具有可微调的振荡器(能进行精确的占空比控制)、温度补偿的参考基准、高增益误差放大器、电流取样比较器。
开关电源设计输入参数如下:三相380V工业交流电经过整流作为开关电源的输入电压Udc,按最低直流输入电压Udcmin为250V进行设计;开关电源工作频率f为60kHz,输出功率Po为60W。
当系统工作在最低输入电压、负载最重、最大占空比的工作情况下,设计开关电源工作在连续电流模式(CCM),纹波系数为0.4。设计的开关电源参数如下:
变压器的原边电感Lp=4.2mH,原边匝数Np=138;5V为反馈输出端,U5V=5V,负载R5=5Ω,匝数N5V=4,滤波电容为2个2200μF/16V电容并联,电容的等效串联电阻Resr=34mΩ;24V输出的负载R24=24Ω,匝数N24V=17;15V输出的负载R15=15Ω,匝数N15V=1l;一1 5V输出的负载R-15V=15Ω,匝数N-15V=11。
2 功率级电路的传递函数
电流模式控制器控制框图包含两个反馈环,外部电压环反馈电压信息,内部电流环反馈电流信息(如图2所示)。电流环的输入是控制电压UC和电感电流采样值US的差值,电流环的输出是占空比D。当US小于UC时,PWM调制器(Fm)输出高电平,功率开关开通,当US大于UC,PWM调制器输出低电平,功率开关关断。通过具有固定频率时钟信号的RS触发器,下一个周期自动置位。通过这种方式,电感峰值电流被控制电压精确控制。
控制框图中Gvd(s)是功率级电路占空比控制端到输出电压的传递函数,Gid(S)为占空比控制端到电感电流的传递函数,Fm(s)为PWM调制器的增益函数,He(s)为电流模式控制的开环采样增益,Rs为电流采样电阻,Uref为基准参考电压。
基于文献建立的反激式开关电源的交流小信号数学模型和Vorperian建立的简化平均PWM开关模型以及Ridley Engirleering建立的电流模式的数学模型,建立反激式开关电源的等效电路模型,进而可以求得各环节的传递函数。
从控制到输出的传递函数如下:
Gvd(s)和Gid(s)都具有双极点,但当电流环增益足够大,它们的双极点可以抵消,从而可以得到如下近似的具有单极点的传递函数:
其中:UI为直流输入电压,Uo为输出电压,RL为等效负载电阻,RS为电流采样电阻,n=Ns/Np为变压器的匝数比。
零极点计算如下:
其中D为占空比,Lp为初级电感,RL为负载电阻,C为输出电容,Resr为输出电容等效串联电阻。
由(1)式可以求得图1所示开关电源从控制到输出的传递函数:
其中对于多路输出的负载RL,是指控制输出端的等效负载。按照文献提供的思路,将其他各路输出都“映射”到5V反馈输出,从而可以得到: