基于SABER仿真器的双管正激参数及控制环路的设计

　　0 引言

　　目前，正激变流器在中、大功率场合得到广泛的应用，但单管正激变换器的开关管承受两倍输入电压应力，不能用在较高输入场合。双管正激变换器解决了这个问题，其开关管的电压应力等于输入电压，关断时也不会出现漏感尖峰，加上结构简单、可靠性高，在高输入电压的中、大功率场合得到广泛的应用。

　　在开关电源的设计过程中，控制环路设计的优劣关系到系统的稳定与否。因此优良的控制环路，对开关电源系统是至关重要的。对于PWM变换器的控制环路，传统的方法使用状态空间平均法，求出小信号模型，来设计控制环路。此方法计算量大，效率低，不利于工程应用。

　　高效的方法是用仿真软件得出电路开环BODE图来设计控制环路。市面的仿真软件非常多，功能也很强大，如Matlab、Pspice等，然而Pspice软件的收敛算法不好，带来了非常多的不便；Matlab软件建模复杂，其补偿器为传递函数或状态方程，需利用电网络理论转化为具体的电路，诸多不便。

　　SABER与其他仿真软件相比，具有更丰富的元件库和更的仿真描述能力，真实性更好。特别是在电源领域的先天优势，借助其强大的仿真功能缩短电源产品的上市时间。目前，用SABER软件设计控制环路尚不多见，基于此，提出用SABER仿真设计双管正激参数及控制环路。

　　1 电路结构

　　双管正激拓扑结构如图1所示，工作原理为：VT1、VT2同时导通，同时关断；VT1与VT2导通时，电源经高频变压器T，快恢复二极管VD3向负载输出能量，经L给C充电；VT1与VT2关断时，输出电流由快恢复二极管VD4续流，同时变压器原边绕组的励磁电流经VD1－UiN-VD2向电源反馈能量。由于VD1与VD2的箝位，VT1与VT2的开关应力等于电源电压。与单管正激电路相比，多用一个开关管，电压应力为单管的一半，不存在漏感尖峰，变压器无需磁通复位绕组，适用于较高输入电压的中、大功率等级场合。

　　2 控制环路的设计方法

　　系统稳定的条件：系统回路开环BODE图，在剪切频率处幅值斜率为-20dB／dec，且至少有45°的相位裕度。

　　控制环路的设计步骤：

　　(1)根据应用要求设计主电路。

　　(2)由SABER仿真器得出主电路的BODE图。

　　(3)根据实际要求和限制条件确定剪切频率ωc，对电源产品，剪切频率通常为开关频率的1／4或者1／5。

　　(4)根据系统稳态的要求及剪切频率决定补偿放大器的类型和各频率点。使低频段增益高，一般电源产品的低频段设计成I型系统，以保证稳态；中频段带宽处的斜率为-20dB／dec，且有足够的相位裕度(即y>45°)；高频段增益衰减快，减少高频干扰；用SABER得出补偿后环路的开环频响曲线，验证系统的稳定性。

　　3 主电路参数设置

　　由于主电路输出滤波器参数关系到控制环路的设置，补偿器应根据输出滤波参数进行调整。本文以一台250W电源实例说明控制环路的设计。

　　1)主要技术要求

　　输入：AC220V(DC=265V(220～310V))

　　输出：48V 0．5～5A；

　　波纹电压：0．1V； 波纹电流：1A；

　　效率：≥0．85；开关频率：100kHz；

　　变压器原副边比n=2；Uout=48．85V(二极管)； 占空比：

　　2)输出滤波参数

　　输出滤波器按照要求的纹波电流与纹波电压值来设计，纹波电流决定电感值，纹波电流与纹波电压共同决定电容值。

　　(1)滤波电感

　　流经滤波电感电流波形如图2所示，纹波电流峰峰值取决于允许的电流值，当负载电流小于0．5A时，进入电流断续模式。

　　为防止变换器进入断续模式，在Toff期间，流经L的电流不能降到零。

　　（2）滤波电容

　　滤波电容的容量分以下两种情况讨论：

　　①采用普通的铝电解电容，根据文献[3]，此类电容在开关频率低于500kHz，且RoCo大于开关管的关断和导通时间的一半时，输出纹波仅由ESR(Ro)决定。

　　此方法随技术的进步变得不合实际，从厂家或测试得到电容的ESR值。

　　②滤波电容采用零ESR或低ESR电容，自身阻容形成的零点(1／2πRest×C)较高，但对环路设计的影响不大；若低ESR值的电容采用大容量，其自身阻容形成的零点使得在带宽附近的高频衰减不够，可能引起振荡，增加补偿器的设计难度。如图3、图4所示。

　　考虑电容的发热影响寿命，取22μF。

　　电容的ESR值的值为

　　ESR(max)=△U/△I=0．1／l=0．1 Ω

　　ESR超过0．1Ω，纹波电压会增加。

　　4 使用SABER对开环仿真

　　在SABER中建立平均模式双管正激的模型，如图5所示。

　　下表为图5模型使用的主要模块及参数：

　　开环BODE图如图6所示，其剪切频率处的相角为-160°，相位裕度为20°，又剪切频率处的幅值斜率为－40dB／dec，因此需要补偿。另外25kHz(1／4开关频率)处的幅值为－35．5dB。

　　5 根据开环BODE图设计补偿器

　　双管正激补偿器采用2型误差放大器电路。如图7所示。

　　其传递函数为：

　　一个零点fz=1／2πR2C1，一个极点fp=1／2πR2C2；设计时，将剪切频率设为1／4开关频率；零点频率设为1／4滤波器谐振频率，增加中频段相位裕度；极点频率设为滤波电容自身容阻频率，增加高频段的衰减。R2／R1设为1／4开关频率处的负增益；RS1，RS2按照采样网络设计，因此：

　　计算结果，选用国标系列值：

　　使用SABER得出补偿后的开环BODE图如图8所示，注意在SABER进行小信号分析前，需微调占空比参考电压，使比较器反相输入端静态工作点在5V，否则可能饱和。

　　可见，系统已校正为I型，剪切频率为25kHz，幅值斜率为-20dB／dec，相位裕度远远大于45°。

　　用SABER进行时域分析，观察输入电压与负载扰动时的系统性能，见图9和图10。

　　6 结束语

　　SABER软件是当今世界的仿真软件，随Analogy公司的大力推广，SABER软件在电源领域的应用会越来越广泛，通过SABER软件的辅助设计，缩短了电源产品的上市时间，提高了产品的控制性能的快速性，稳定性和稳态。

  

参考文献:

[1]. RS1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS1_1187734.html.
[2]. RS2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS2_1187715.html.