傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

前言:

對於傳統的PWM模式控制器,比如UC384X系列,能非常好的應用在反激和正激拓撲的控制上。電流模式固有的逐個週期電流限制和超快的動態響應,是非常優秀的效能。雖然UC384X系列已經蠻老了,不能用在現在追求5&6級能效的專案上。但是有些追求可靠性的領域,還是蠻喜歡用UC384X系列的。話不多說了,下面是參考其內部控制邏輯建立的模擬模型。

第一部分 傳統定頻反激

UC384X的內部邏輯圖:

傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

(圖1 UC384X系列內部邏輯圖)

首先是一個90瓦的CCM反激,其控制邏輯參考UC3842,可見下圖:

傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

(圖2 U固定開關頻率的反激模型)

模型說明:

由V5產生一個固定的置位時鐘,RS觸發器和輸出邏輯參考UC384X。最關鍵的PWM比較器,由一個if語句替代,追求最快的模擬速度。用分壓電阻和限制運放的輸出,控制到PWM比較器的電壓不高於1V。誤差放大器由傳統的TL431替代,光耦用理想的流控電流源替代,於是可以得到模擬的波形:

1、20ms的啟機波形:

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(圖3 反激的啟機波形)

展開細節:

V(Vout)是差模電感之前的電壓,紋波較大。

V(G3:1)是負載端的電壓,基本紋波就比較小了。

V(Vdrain)是原邊MOS漏極波形。

V(Vcs)是PWM比較器的電流訊號

V(Vcomp)是PWM比較器的給定訊號

傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

(圖4 反激的幾個關鍵點波形)

做一個0。5A ~4。7A10ms切換一次的動態響應測試:

傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

第二部分 傳統定頻正激

關於50%佔空比的限制,可以參考下圖,將S引腳脈寬設定到半個週期長度,那麼PWM輸出的最大脈寬就被限制住了。

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(圖6 UC384X系列的控制時序圖)

模擬原理圖:

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(圖7 UC384X控制的雙晶正激模型)

模型說明:

為了加快模擬速度,對於雙管正激MOS的體二極體幾乎不走電流的情況下,就直接用理想開關代替。副邊也直接用二極體做整流橋,同步整流稍微麻煩。輸出用一個壓控電流源來做理想負載,控制邏輯和反激幾乎一樣。

1、 20ms的上電波形

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(圖8 正激啟機模擬)

展開細節:

V(Vdrain)是原邊低端MOS的漏極電壓

V(Vout) 是副邊輸出電壓

V(Vcs) 是PWM比較器的電流訊號輸入

V(Vcomp)是PWM比較器的給定訊號

V(D3:3) 是副邊濾波電感的輸入電壓

I(L3) 是副邊濾波電感的電流

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(圖9 正激幾個關鍵點波形)

做5 A~40A 10ms一次的切換:

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(圖9 正激模型在動態負載切換時的工作)

展開切換時的細節:

分別是加負載時:

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(圖10 正激模型在負載增加時)

和減負載時:

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第三部分 傳統半橋

傳統PWM控制的半橋和全橋,一般由電壓模式控制,常見的IC有SG3525A,UC3825A。是拿CT上的電壓斜坡和誤差放大器的輸出進行比較,然後得到一個佔空比去控制管子的脈寬。由於要控制半橋和全橋,需要有兩路互補的驅動訊號,而且還要限制住兩路訊號的最大佔空比。

SG3525A的內部邏輯圖如下:由OSC和觸發器發出兩路限制佔空比的互補訊號到NOR門。NOR門預設輸出為高電平,需將關斷PWM的訊號送到NOR門。在SG3525A中分別有下列幾個送到NOR門用來關斷輸出,限制脈寬。

1、 PWM比較器的輸出,誤差放大器的電壓Vcomp高於Vramp後發出高電平到觸發器的S,觸發器發出高電平到NOR門,可以關閉當前輸出。

2、 OSC發出的最大佔空比限制,透過合理的RT和CT控制最大的佔空比。

3、 ULVO IC欠壓保護

4、 SHUTDOWN 過流保護訊號

5、 觸發器發出的兩路互補驅動訊號。

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(圖11 SG3525A的控制邏輯圖)

在模擬模型中,為了提高模擬速度,我用可定義的三角波來作為CT上的電壓斜坡。用0。2V和2。5V對斜坡電壓進行比較可得到用來限制佔空比的訊號CLK。在透過觸發器U6得到兩路互補的驅動訊號A和B,分別都送到NOR門。在模擬中,我去掉了欠壓保護的控制,控制驅動的NOR門只有三個條件用來關斷當前的脈寬:

1、A和B互補的驅動。

2、最大佔空比限制CLK。

3、PWM比較的輸出。

過流保護比較器暫時不使用,電壓模式只控制佔空比,動態效能要比電流模式差一點點。

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(圖12 電壓模式半橋控制模型)

先來一個0~20ms的啟機波形:

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(圖13 電壓模式半橋啟機波形)

展開細節:

V(Vout_ac) 輸出電壓

V(L2:1) 副邊濾波電感上的電壓

I(L2) 副邊電感上的電流紋波

V(C10:2,H1:1) 是變壓器兩端的電壓波形

I(C10) 是隔直電容上的電流

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( 圖14 電壓模式半橋啟機波形)

做一個10A~80A的10ms一次的切換:

可以看到這個反饋引數不是很好,動態響應比較糟糕。

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( 圖14 電壓模式半橋在動態負載切換時的波形)

繼續展開細節部分:

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( 圖15 電壓模式半橋在動態負載切換時的波形)

第四部分 電壓模式全橋部分:

控制模式幾乎和半橋一致,只是用兩路訊號同時驅動對角的兩顆管子,便於模擬就沒有使用隔離驅動的電路,模型可見下圖:

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(圖15 電壓模式全橋的控制模型)

0~20ms的上電波形:

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(圖16 電壓模式全橋的啟機波形)

展開細節:

I(L2)/10 是副邊濾波電感上的紋波電路,便於觀察除以10倍。

V(VREC)是副邊濾波電感上的電壓

V(U2:1,H1:1)/50 是原邊變壓器兩端的電壓,為了便於觀察除以50倍。

I(C10) 是流過隔直電容的電流。

V(Vout_ac)是輸出電壓(紋波蠻大的)

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(圖17 電壓模式全橋的啟機波形)

做一個10A~100A的10ms一次的動態切換:

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(圖18 電壓模式全橋的動態負載切換時波形)

展開細節:

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(圖19 電壓模式全橋的動態負載切換時波形)

第五部分 電流模式的全橋控制模型模擬:

電流模式只是將原邊電流引入控制,和誤差放大器的比較做比較,當原邊電流達到給定值時,關閉當前週期的脈寬。見控制模型:

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(圖20 峰值電流模式全橋的控制模型)

來一個0~20ms上電模擬:

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(圖21 峰值電流模式全橋的啟機波形)

展開後的細節:

V(GAIN:OUT)PWM比較器的給定是誤差放大器的輸出。

V(E7:IN+) PWM比較器電流訊號

V(Vout_ac)輸出電壓

V(Vrec) 是副邊濾波電感的電壓

I(L1/10)是副邊濾波電感上的電流,為了便於觀察除以了10。

傳統PWM控制器的控制模型和模擬 (反激、正激、半橋、全橋)

(圖22 峰值電流模式全橋的啟機波形)

做10A~100A 10ms的切換:

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(圖22 峰值電流模式全橋的在動態負載切換時的波形)

展開細節:

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(圖23 峰值電流模式全橋的在動態負載切換時的波形)