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首頁 技術頻道 快速分析開關轉換器(下)  SEPIC結構實現DCM操作

快速分析開關轉換器(下)  SEPIC結構實現DCM操作

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圖1 第一個SEPIC採用平均模型,而右邊第二個實施逐週期法。

運用仿真來比較兩個電路的輸出回應。如圖2所示,兩個電路的回應非常相近。曲線的左邊描述了啟動序列,右邊部分顯示了兩個模型對負載階躍的回應。在這一階段具有相同的回應是首要證明顯示大訊號模型平均來說,正確地仿真SEPIC內部,而我們可以小訊號版本進行。

DCM PWM開關的大訊號模型由上篇文章的公式10中推導出的小訊號版本所代替,與Vorpérian博士先前考慮的不同。兩個模型得出了相同的分析,但Vorpérian博士先前考慮的是一個常見的配置(C端是接地的),而為了建立一個自動切換的DCM-CCM模型,保留了原本普通被動配置。採用DCM PWM開關的小訊號模型更新的電路圖如圖3所示。右邊的參數列表計算分析所需的所有係數k。

確定準靜態增益

為了確定準靜態增益,須要照圖2使所有電感短路,所有電容開路。這正是SPICE在計算工作偏壓點時所做的工作。然後重新排列所有的訊源和元件以簡化電路,使其更易於分析。當做這項工作時,建議始終實施全面的檢查,確定新電路的動態回應與圖3完美匹配。任何偏差都表明出了錯,或者簡化中的假設過於樂觀:重複該做法直到振幅和相位完美匹配為止。組合出圖4的電路。

圖2 平均模型的瞬態回應與逐週期模型完全符合。
圖3 這是運行在DCM模式的SEPIC的小訊號模型。節點d1是負載比偏差和進入點。所有小訊號係數都自動出現在參數視窗。
圖4 用來確定準靜態增益H0的最終直流電路。

幾行算式將使我們得到輸出電壓表達式:

公式1

 

公式2

將公式1中的Ic代入公式2解出Vout。會得到:

公式3

小訊號準靜態增益簡單地表示為:

公式4

時間常數的確定

我們將採用FACTs並單獨確定電路的時間常數,而不是用圖3的完整原理立刻求解整個轉移函數。這種方法提供了一個優勢,以處理透過對個別草圖的SPICE仿真獲得的結果。這大大有助於逐步前進和追蹤錯誤,而不至於在大量的工作時間後才發現最終的結果是錯誤的。

為了確定時間常數,將刺激減為0。在此,由於我們想要控制到輸出的轉移函數,刺激是d1。將其減為0有助於簡化電路,如圖5所示。

圖5 將刺激減為0有助於簡化電路。在此從驅動電感L1的電阻開始。

可以用幾個公式來描述這個電路,我們知道IC=IT:

公式5

公式6

公式7

公式8

將公式7代入公式8然後解出V(c)。替代公式8中的V(c)解出V(a)。接著可得:

公式9

如果重新排列由圖3的定義替換係數k,將得出時間常數1的定義:

公式10

二階時間常數指的是從C2端看到的電阻,而L1是短路的。新的電路如圖6所示。由於L1短路,a和c端在一起,簡化更新的電路為右邊的圖片。

圖6 使電感短路真正簡化電路。

再一次,幾個簡單的等式會很快得出結果:

公式11

公式12

將公式11代入公式12,然後解出VT並重新整理。會發現:

公式13

如果知道試圖確定涉及C3的三階時間常數,變壓器配置(完美耦合)使其兩端電壓等於0V:在動態轉移函數中電容器不起作用。因此第一個係數b1定義為

公式14

二階係數

對於二階係數,我們將設置電容C2處於其高頻狀態(以短路代替它),同時將確定驅動電感L1的阻抗。圖7說明了這種方法。因為輸出因C2短路,節點a和c都處於相同的0V電位。電路簡化為右側示意圖。

圖7 二階係數設置儲能元件之一處於其高頻狀態(C2),同時可確定電感兩端的電阻。

我們可寫出描述VT電壓的第一個等式。觀察到:第一,IT和IC是相同的;第二,VT=–V(c),我們有

公式15

因式分解VT/IT,L1兩端的電阻為

公式16

二階時間常數定義為

公式17

如果我們認為Vout=MVin,b2係數表示為

公式18

合併我們確定的時間常數,得出分母D(s)

公式19

如果我們考慮一個低Q值的近似值,這二階分母可以近似由兩級聯極點定義為

公式20

公式21

和合併為

公式22

零點的確定

如上文所述,當刺激調至零角頻率sz,,變形電路的回應為無訊號輸出(見圖1)。該運用現將包括將刺激復原和確定無訊號輸出的變形電路條件。圖8所示為我們須要研究的更新電路。無訊號輸出的有趣之處在於其傳播至其它節點。例如,如果Vout=0V,然後由於變壓器高邊連接,節點a也處於0V,所有涉及該節點的運算式可以簡化為如圖所示。如果輸出無訊號,則電流I1也為零,這代表Ic=I3。

圖8 在s=sz的特定條件下,觀察變形的電路,無訊號回應。

節點c的電壓定義為

公式23

因此,電流Ic等於節點c的電壓除以L1的電阻。

公式24

而電流等於

公式25

現將公式24代入公式25,然後視Ic=I3:

公式26

求解s,將係數k的值換為它們在圖3中的值,重新整理後會發現

公式27

這是個正的根源,因此為右半平面零點。透過收集所有的部分,發現極點和零點實際上是一個DCM Buck-Boost轉換器的極點和零點而得出完整的轉移函數:

公式28

公式29

公式30

公式31

公式32

最後的檢查,我們可比較Mathcad和圖1大訊號模型的SPICE仿真的動態回應。如圖9所示,曲線完美重合。

圖9 Mathcad和SPICE提供完全相同的回應(曲線完美疊加)。

另一個驗證是由採用不同的平均模型仿真相同的SEPIC結構建構。這也是一個自動切換的CCM-DCM模型,但接線方式稍有不同。圖10所示為兩種平均模型採用一個類似的SEPIC架構;圖11則證實兩個交流回應在相位和振幅上完全相同。

圖10 CoPEC平均模型包括單獨的開關和二極體連接。
圖11 DCM PWM開關和CoPEC DCM模型提供相同的動態回應。

快速分析技術為推導線性電路轉移函數提供了一種快速而高效的方法。在被動電路中,觀察可能實現的,而且是經常的,毋須寫一行代數就能得到轉移函數。隨著電路變得複雜和包括刺激源,不得不採用經典的KCL和KVL分析。但當確定分子和分母中個別的多項式因數時,如果有錯誤的話,很容易追蹤和只關注錯誤項。在複雜的電路中,小草圖和SPICE的幫助是極有用的。最後,最終結果以一種有意義的格式表示,並可直接區別出極點和零點位於何處。這是非常重要的,因為必須知道問題隱藏在轉移函數的何處。作為一個設計人員,必須平衡它們,這樣自然的產生傳播或元件的變化不會危及系統在運行中的穩定性。

(本文作者任職於安森美)

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