介绍一种恒压恒流控制回路的设计,并给出相关的仿真模型并仿真输出电感的工作情况,在附件中有仿真模型的下载。
对于电池或超级电容负载,需要开关电源工作在恒流模式。对于这种工况下的控制环路的设计,一般采用峰值电流型模式,但是如果控制环路工作在恒流模式下,会出现输出电流控制精度比较差的缺点。为了克服这些问题,笔者设计了一种恒流恒压控制环路,现在以一个简单的正激电源为例阐述一下。
电路参数:
输入电压:280--400VDC
输出电压:75V
输出电流:33A
主电路采用正激电路,PWM控制芯片为uc3845,峰值电流控制模式,电源可以工作在恒流恒压模式下,跟随负载和输出电压电流的参考设定自动转换。
1)恒压工作
将电路中的J1和J2接到如下的位置
并将交流源V7并联的伯德图探针使能,禁用V2并联的伯德图探针,然后进行AC分析,此时输入电压设定为400V。由此可以得到各点的波形:
恒压环路的伯德图:
穿越频率为3.6KHz,相位裕度为51°大于45°,所以环路稳定工作。
当输入电压为280V时,再仿真一次:
各点的波形:
占空比由28.97%增加到41.88%,输出电压电流都没变,分别为75.4V和33.2A。只是纹波都减小了。
伯德图:
可以看到,波形基本不变。
2)恒流工作
J1和J2要调整一下:
然后使能V2并联的探针,禁用V7并联的探针。同时要将V5(恒流参考值)设为3.4V。输入电压设为400V。输出电流采样电阻为5mΩ,采样差分放大倍数为23.18,所以恒流参考值设为3.4V时的输出电流应该如下计算:
进行AC分析,各点波形:
在恒压环路参考值不变的情况下,通过调节恒流环路的参考值,可以将电源的输出电流稳定在29.3A,与理论计算值相同。此时输出电压为66.5V,占空比为25.45%。恒流环路的伯德图:
穿越频率为5.8KHz,相位裕度为62°。
将输入电压调到280V,再仿真分析一次:
输出电流电压不变,占空比为36.83%。伯德图也没有明显变化,恒流环路也是稳定的。
3)输出电感仿真
用simplis自带的MDM模块可以进行电源中的磁性器件的设计工作。以输出电感为例
点击进入MDM,磁芯选EE55,磁材用3C81+,中心柱开2mm间隙
0.1mm厚铜箔4层,绕11圏,电感量为42.1uH。
输出电感在280V输入电压下的工作情况
可以看到输出电感总的损耗为3W,25℃环境下,线圏温度为58.4℃,磁芯温度为42.8℃
峰值磁通密度(Bmax)为0.35T,下图为输出电感在通过直流电流下的电感量衰减,在额定输出电流下,电感没有饱合,且有很大的裕量。
将输入电压改为400V,再次计算,可知输出电感总损耗有所增加。
4)说明:
笔者用的是simplis 8.40b这个版本,带有MDM模块,没有测试用其它版本能否打开。所以仿真模型的兼容性未知,如果遇到问题,将输出电感和主变压器替换为兼容的即可,正激变压器的匝数比为12:8:8,输出电感量为42uH。