用Saber验证5V、3A反激变换器设计.doc

用Saber验证5V/3A反激变换器设计最近手里的项目基本完成,这周在论坛上逛的时候,偶然发现有公司在推一颗名字叫做LD7575的PWM控制芯片,顺手下载了它的data sheet来研究,发现和以前传统的控制芯片还真有些差别(俺已经很久没有碰过反激电源了,感觉有些跟不上形势).出于好奇,俺利用晚上的时间仔细研究了它的原理框图,并按照框图建立一个仿真模型,为了验证模型的正确性,俺又不辞劳苦,参考data sheet上提供的reference application circuit,设计了一个5V/3A的反激变换器.经过三个晚上的努力,到现在基本完成.从今天开始,俺会把整个过程贴出来和大家分享.今天先开始谈俺对LD7575的功能分析,LD7575基本原理框图如下图所示: 从图上看,少了以前老PWM控制器中的运放部分,在COMP管脚提供直流偏置,使得COMP管脚可以直接和光偶隔离器链接,外围电路更简单.LD7575的典型工作电路如下图所示: 它基本还是传统意义上的峰值电流控制模式,振荡频率由连接到RT管脚上的电阻决定,COMP管脚电压作为关断外部MOS管的参考信号,当变压器原边电流(CS管脚电压)超过该参考信号时,芯片关断外部MOS管,在随后的振荡周期中,由振荡器输出的脉冲将外部MOS开通.当然,除此之外,LD7575还提供了其他几个功能,如HV管脚提供了直接连接高压的能力,芯片内部带有输出过压(OVP)和输出过流(OLP)保护等 今天继续来看看LD7575控制器的其它几个功能.第一个直接高压启动的功能,LD7575带有一个能接600V电压的管脚HV,它可以直接连接到输入整流之后的直流母线上.从HV管脚到VCC管脚有一个可控的电流源,刚开始上电时,交流输入电压通过HV端口给VCC的去偶电容充电,充电电流1mA,当VCC 管脚电压超过16V时芯片启动,此时HV端口的输入电流降为10uA左右.当VCC管脚电压低于10V时,HV到VCC的充电电流再度变为1mA为VCC的去偶电容充电,具体工作情况如下图所示: LD7575芯片内部提供了两种保护功能,一种为OVP(过压保护),另一种为OLP(过载保护). OVP工作方式如下图所示: 当VCC 管脚电压超过27.5V时,芯片封锁输出PWM脉冲,VCC电压开始下降, 当VCCUVLO(ON)时,芯片再次启动,HV管脚输入电流变为10uA左右,芯片开始输出PWM脉冲. OLP的工作模式如下图所示: 如上图所示,当VCOMP5V &TIME30ms时,芯片进入OLP保护模式,当VCC两次小于UVLO(OFF)之后,芯片会再次启动,开始输出PWM脉冲. data sheet分析到这里时,出现一个问题,当芯片发生OVP保护之后,封锁输出PWM脉冲,则输出下降,隔离光偶的电流减小,由于COMP管脚在芯片内部有上拉偏置电压,大概在6V,所以理论上COMP管脚电压随着输出电压的下降而上升直至6V,如果VCC电压从27.5V降至10V的时间超出30ms,则芯片会进入OLP保护,这表明,在OVP之后,芯片很可能出现OLP的误动作.我曾经在论坛上就这个问题提问,可惜到现在也没有得到一个合理的解释,所以建模的时候,我只能按照个人的理解去处理,无法确认模型在OVP之后出现OLP这种行为是否正确.今天来谈谈基于LD7575控制器设计的5V/3A反激变换器的验证.设计的反激验证电路参考了LD7575 data sheet中提供的reference application circuit.如下图所示: 应该说明的是,个人认为该电路存在以下两个缺点: 1. 辅助绕组与变压器原边同相,这样在MOS管导通原边储能的阶段给VCC提供电流,这样的一个缺点是辅助绕组电压随着输入电压的变化而变化,当输入电压范围很宽时,VCC上的电压变化范围很大,这样回去外部MOS管产生威胁,因为其驱动电压由VCC决定,当VCC很高时,有可能将MOS的G级击穿.另外,由于OVP保护的存在,很难用这样的电路做出宽输入范围的反激电源来. 2. 电路中TL431反馈环的RC相位补偿时间参数较小(RC=1k*22n=22us),这样的结果是运行时很容易出现振荡. 在Saber软件中建立验证电路如下图所示: 由于原图中有少量元件在Saber中没有相应模型, 因此采用参数相近的模型进行替代,具体情况如下表所示 需要注意的是: (1).原始电路并未提供反激变压器具体参数, T1参数是本人计算的结果. (2).原始电路中TL431反馈环的RC相位补偿时间参数较小,与开关周期接近(1/65kHz=16us),因此将RC参数改为RC=5.6k*470n=2.62ms (3).为CS管脚添加了RC网络以虑除MOS刚开通时产生的电流尖峰. 先看一张性能仿真结果波形: Vacin = 115VIout = 2AVout = 4.9956V 反馈环波形如下图所示: 变压器原副边电压以及电流采样波形如下图所示: Vacin = 150V, Iout = 2AVout = 4.9941V的仿真波形 Vacin = 265V, Iout = 2AVout = 4.9928V的仿真波形 反馈环波形 变压器原副边电压以及电流采样波形 有兴趣的网友可以注意一下原边变压器负端波形(pri_m),它也是MOS管D脚波形,它在关断之前会出现振荡,正是这种振荡,产生了一种PFM控制的反激变换器,即所谓的准谐振(QR)反激变换器. 今天来看看电源在满载工况下的仿真 Vacin = 115V,Iout = 3A,Vout = 4.9952V 反馈环波形 变压器原副边电压以及电流采样波形 Vacin = 150V,Iout = 3A,Vout = 4.9928V Vacin = 220V,Iout = 3A,Vout = 4.9826V Vacin = 265V,Iout = 3A,Vout = 4.9929V 今天来看看基于LD7575的反激变换器的一种特殊工作情况-OLP.根据DATA SHEET,OLP也就是输出过载情况下的开关及VCC工作波形如下: 将仿真电路图中的负载电阻改为pwlr模板,设置Vacin=220V, 负载电阻pwlr10K并在0.61s时刻变化到0.1(模拟输出短路),然后在3.5s时刻变化为1.67(满载),仿真波形如下: VCC/VOUT 仿真波形 vcs/aux_m/sec_m节点仿真波形 接下来看看另一种特殊工作情况OVP(过压保护)的仿真,根据DATA SHEET,OVP情况下的开关和VCC工作波形如下图所示: 仿真测试条件如下: Vacin=390V,负载电阻pwlr = 1.67,Iout = 3A.仿真波形如下图所示: 从图中看,OVP保护波形与data sheet中的描述并不一致.原因在于,发生OVP之后,输出封锁,COMP管脚电压为6V,30ms之内VCC不能再次到达VCC_ON(16V),引起OLP保护.其实,正常情况下,用辅助绕组给VCC供电,而LD7575的OVP动作点高达27.5V,一般情况是不可能到达.能产生这样的波形也是拜LD7575