在CCM下运行的离线反激式转换器中峰值初级电流控制设计实现

概述

本实例展示了在连续电流模式（CCM）下运行的离线反激式转换器中峰值初级电流控制的实现。峰值初级电流控制是基于IC UC2842 中使用的控制技术实现的。UC2842模型使用器件库中的通用模板进行创建，用来做时域和频域仿真分析。最后，将实测数据和仿真结果进行了比较。

介绍

反激电源拓扑基于buck-boost理论，使用变压器替代了功率电感。同时变压器将输入侧和输出侧进行了隔离。使用变压器的另一个优点是输出电压可以通过线匝比进行调节。如下图所示，反激变换分为两个状态。

第一种状态，功率半导体开关1导通，能量从输入侧存储到变压器一次侧，在变压器的二次侧，输出二极管处于反偏状态，负载有储能电容cout提供能量。

第二种状态，功率半导体开关1关断，变压器一次侧的能量传入二次侧，输出二极管正偏，二次侧的能量存储到储能电容和输出负载上。

在CCM模式下，变压器中储存的全部能量在关闭期间不会转移。当下一个导通周期开始时，一部分能量会留在变压器铁芯中。因此，一次侧电流从每个循环开始时大于零的值开始。

在闭环设计中，在峰值电流模式下，控制器调节转换器的峰值电流和占空比。控制器内部有一个电流控制回路，该回路包含一个探测初级电感电流斜坡的小电流感测电阻。该电流检测电阻器将电感电流波形转换为电压信号后，直接输入到初级侧PWM比较器。内部环路根据输入电压大小确定误差放大器输出的响应。输出电压控制环路输出根据负载的瞬态特性进行调节。

隔离输出的反馈电压由二次侧误差放大、隔离光耦、可调电压参考源(如TL431)组成，TL431工作在并联调节模式下，在通用模型库中对应的模型是pvreg。误差信号通过光耦将二次侧信号转换到初级隔离侧。光耦除了提供隔离外，还反馈输出电压的幅值信息。光耦的发射极连接到误差放大器的反相引脚，完成隔离的闭环电路。

原边侧的误差放大，PWM控制器和门级驱动电路包含在UC2842芯片中，在SaberEXP中使用层次性原理图uc2842.xsch对该芯片的基本功能进行了建模封装，如下图。

反激变换器更加详细的分析可以通过仿真来研究。在这个例子中，输入侧电压是240V 60Hz，负载使用时变电阻模拟。

设计

设计需求规格如下表

功率电路和功率极点和零点的设计公式如下表所示

输入电源功率Pin通过最大输出功率的85%计算，

*功率开关参数设计

本设计的MOSFET使用模型库中的N-mosfet模板进行参量化设置，根据UC2842的应用说明，MOS管型号为IRFB9N65A，其数据特性如下表：

*补偿网络设计

选择适当的元件，以便设计所需的增益、极点和零点，从而在整个工作范围内形成稳定的系统。电压调节器、光耦和误差放大器是环路的不同阶段。每一级都与功率级相结合，形成一个稳定的系统。补偿网络的公式如下图：

仿真

*瞬态仿真

要验证负载调节期间离线反激变换器的瞬态行为，请执行以下步骤：

1.设置瞬态时长为100ms。
2.绘制输出电压vdc_out和负载电流r_time.load.i，将其标签名字可改为iout。

在10ms前，负载电流是4A，10-20ms负载电流降到1A，随后电流升到2.7A，再降到0.9A，在65ms时，电流升到4A，在整个瞬态过程中，输出电压为12V。

3.将输出电流和输出电压波形放在一个界面中，调节坐标轴，将仿真波形与手册中的波形进行对比。

4. 新建一个波形显示界面，绘制功率光的VDS波形如下。

5.新建一个波形显示界面，观察输出vds-out波形如下。

*环路响应

在稳态条件下，采用PAC分析法对闭环频率响应进行分析。执行PAC分析，需要在反馈的开始处注入交流扰动量，这里用模型库中的v_pac模型。在稳态下注入交流扰动仿真频率响应，请执行以下步骤：

1.将负载电阻器更换为3Ω的电阻。这将确保转换器在满载电流下工作。
2.在输出侧串联扰动模型v_pac，幅值设置为100mV。

3.将反馈网络的节点名称改为vfeedback

4.保存更改并运行PAC分析。PAC分析的模拟设置在此示例中已经预设。频率扫描范围为10 Hz至10 kHz。

注意：低fbegin（10hz）和高开关频率（110khz）的组合预期会导致PAC分析的长执行时间。实际上，PAC分析在内部对扫频信号的至少3个周期执行瞬态分析。当扫频为10 Hz时，将进行至少300 ms的瞬态分析。给定110 kHz的开关频率，将模拟至少33000个开关周期

5.仿真完成后，结果图将显示在左侧的“结果”窗格中。

调用波形计算器将输出除以输入波形（即vdcu out/vfeedback）。从模拟得到的频率为2.58kHz。设计的相位裕度为58.66°。

总结

本实例使用SaberEXP软件设计了基于UC2842的离线反激变换器峰值电流控制电路，并进行了仿真研究。仿真结果与实测结果吻合较好。该设计还可进一步用于研究光耦合器的老化行为等。