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【文原创】临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真

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maileyang
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LV8
副总工程师
  • 2015-10-10 23:04:43
/**********     如果对LLC的闭环仿真有兴趣的,可以看我的这个帖子:
  【文原创】PSPICE环境下的LLC闭环仿真建模 http://bbs.21dianyuan.com/thread-225456-1-1.html
   备注:更新了 电流控制模式的LLC 闭环仿真模型 2015/10/18 在26楼

    如果对 临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真 有兴趣的,可以看我的这个帖子:
   临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真的闭环仿真  http://bbs.21dianyuan.com/thread-226413-1-1.html

    备注:更新了 CCM模式的交错PFC仿真 在第九楼 2015/10/21
   如果对移相全桥控制和仿真感兴趣,就看我的这个帖子   
    移相全桥的控制模型的建立和仿真 http://bbs.21dianyuan.com/thread-226811-1-1.html


    如果对传统PWM控制器的的控制和仿真有兴趣,就看这个帖子:http://bbs.21dianyuan.com/thread-233455-1-1.html

      
    如果对传统PWM控制器的的控制和仿真有兴趣,就看这个帖子:http://bbs.21dianyuan.com/thread-233455-1-1.html

   **********/

临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真    
  第一部分 连续电流模式的PFC

  首先是连续模式的PFC,连续模式的PFC一般会用平均电流模式,而不是峰值电流模式。峰值电流模式有个问题就是,在一个工频周期内占空比的变化范围会高于50%,这里就需要加入斜坡补偿电路来稳定电流环。而平均电流模式就不需要,在长期的实践和应用中平均电流控制模式完全胜出。实际应用中以TI的 UC3854A为代表。
  对平均电流控制模式的PFC建模和仿真,我是参考TI的UC3854A的控制逻辑。当然让我这样的菜鸟重新设计一个控制电路,岂不是超出了能力范围。因此,我就只能参考UC3854A的控制思路,在仿真软件中的实现也是为了加深对这个电路的理解。
    下图是UC3854A的IC内部逻辑结构:
1.png
  (图一 UC3854A的控制逻辑图)
  下面是几个重要的引脚功能说明:
  Vsense是反馈引脚连接内部误差放大器。
  Vao是误差放大器的输出,在外部连接电阻电容实现补偿。
  Iac是乘法器的交流波形输入,之所以是Iac而不是Vac,是因为电流乘法器比电压乘法器实现更加容易。
  VRMS作为乘法器的一个除数项,是用来实现对输入电压进行前馈。输入电压加大一倍(VIN*2)。除法器的的除数加大四倍(Vrsm 2^2),能快速的降低Imout输出,降低了电感电流的给定值,也就等于降低了流过电感的电流。能在输入电压快速变化时,能大幅度提高PFC的响应速度。避免因为电压环速度太慢引起的调节速度过于慢的问题。
  SS 连接到参考电压,软启动时,使参考电压缓慢上升,使得输出电压也慢慢建立,降低启动时电流应力。
  Mout 是乘法器的输出。
  ISEN连接到检查电阻。
  CAO 是平均电流控制模式的关键,它将同相和反相输入端的电压进行差分放大,然而根据CAO外接的补偿实现对电流波形的整形。将指示电感电流的一个三角波,变为接近直线的平均值。
  PWM比较器 CAO和CT上的三角波进行比较,当CAO高于三角波时,关闭开关管。
     
   对UC3854A的内部逻辑图,在PSPICE里面建模得到:
   2.png
(图二 PSPICE环境下的UC385 控制逻辑)

   下面是对上图的功能模块说明:
    Vac 作为交流正弦的波形输入到乘法器,对误差放大器的输出进行整形。
    G1 电压控制电流源,将乘法器的输出/100000,从电压V级转换到uA级的输出。
    G1 的输出连接到SEN电阻,假设乘法器是300uA的输出,那么PFC_CS的电压最高只能为600mV。
    U7 平均电流误差放大器,将两个输入端进行差分放大,然而根据输出的外接的电阻和电容实现对波形的平均化。
    PWM 比较器是用 理想比较器实现,其语句为 :if( V(%IN+) > V(%IN-) , 5 , 0) 。
    PWM 开关级 就是RS触发器。
   
   平均电流模式的控制特点:
   依然要采集交流的正弦波形,对电感电流进行限制,保持电感的平均电流能精确的跟随设置点。
   电感电流在大多数电源周期内工作于连续导通模式,然而在电源周期的开始阶段,电感电流不能立即调到设置点,因为电感两端电压太低,平均电感电流滞后于设置点的信号,即产生了所谓的尖端失真。电感值越大,尖端失真越明显。
  误差放大器和乘法器来产生给定电流。误差放大器的外部补偿要低带宽的补偿,实现电感电流能跟随交流正弦波形。
  乘法器的输出电流将连接到SEN电阻端。这个电阻运行流过的最大峰值电流,比如乘法器的输出为300uA,电阻为3K,则RSENSE两端的电压最高不能高于0.9V。
  为什么负检测技术在高功率PFC上使用,基于下面两个理由:
  1、集成电路设计者认为,将电流相乘,比用电压相乘更容易实现。
  2、由于RSNSE连接到低参考电压一侧,简化了读取该信号的电路结构。
  电流误差放大器是这个电路的关键,电流误差放大器将乘法器给定信号和实际检测信号之间的误差放大。电流误差放大器的输出补偿是2类结构,那么电流误差放大器将输出一个与逐个周期电感平均电流成长正比的电压,这是平均电流模式的控制关键。其设置平均电压,固定瞬时平均电感电流。

        对模型仿真得到的波形为:
        平均电流放大器的输出(下侧绿色 )
        PWM三角波 (下侧红色)
        电感电流  (上侧绿色)  
       3.png
                    (图三 电感电流波形)
  从一个工作周期可以看到,平均电流放大器的输出值,以一个正弦电压的形式,切割了PWM三角波,所以能产生在不同的占空比的脉宽输出。
  如果放大来看,见下图:
  可以看到,PWM三角波和平均电流放大器的输出,是如何决定了占空比的。
       4.png
     (图四 PWM三角波和平均电流值的比较)
  最后放一个完整的上电波形:
  上侧绿色 输出电压波形
  下侧绿色 电感电流
    5.png
         (图五  上电波形 10个周期)


  从上图可以看到,该模型已经实现了平均电流模式的PFC功能。

  /***
  由于一楼内限制了字数,所以临界模式的转下一楼,抱歉。
  ***/


本帖最后由 maileyang 于 2015-11-16 21:36 编辑

maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-10 23:05:07
 

   第二部分 临界电流模式的PFC

   临界模式控制有谷底开通和零反向恢复电流的优点,在500瓦以下的场合有非常多的应用。其控制逻辑主要是检测电感电流,当电感电流下降到接近零时,开始一个新的周期。工作频率是变化的,不同于固定频率的工作方式,它需要一个控制电路来实现新的周期刷新。
  临界模式的控制原理,可以参考ST的L6562A的控制逻辑,下面就将L6562A的控制思路,在PSPICE环境下建立仿真模型。
    11.png
        (图六 L6562A的控制逻辑图)
   下面就对几个重要的引脚说明:
    1、乘法器,采集交流电压输入波形,通过连接到整流后的电阻分压得到120HZ的工频波形。这个交流电的波形用来调制流入电感的电流波形。在仿真环境里建模,可以用E 模型,调制增益为0.01,衰减工频波形100倍。
     2、误差放大器,将输出电压和基准电压进行比较。得到误差放大电压,送到乘法器。在乘法器将误差放大器的输出电压和交流电波形相乘,得到交流波形调制的误差放大电压。
     3、PWM比较器,乘法器的输出和电感电流峰值信号比较。实现电感电流的峰值跟随交流电的波形包络,详情见下图:
      12.png
      (图七 临界模式的电感电和控制流示意图 )
4、RS触发的控制逻辑:
  1) MOS开通时,首先由乘法器给定的峰值电流点。乘法器的给定在PWM比较器的反向输入端,因此比较器在此时的输出会是LOW。电感的电流随着时间线性增加,达到乘法器的给定时。此时比较器的状态改变,输出变为HI。
  2) Diode开通时,电感两端电压反向,然后对负载放电,电感电流线性下降。直到电感电流下降到零,电感~开关~二极管的开关节点的电压也下降到很低。然后电流检测绕组在ZCD比较器上,将低于同相端给定的1.5V。ZCD比较器输出高电平。
3)刷新周期,RS触发在此时的输入情况是:R=   LOW , S  = HI 。根据真值表可以得到 Q=  LOW  QB = HI。然后ZCD从高到低,S重新变低,此时开始一个新的周期。
  
  在PSPICE里面建立的电路模型为:
   13.png
  (图八 临界模式的PSPCIE仿真模型)
  下面是对上图的功能模块说明:
   E1 用理想比较器做PWM比较器,实现对峰值电流的控制。
   E3 仿真环境下我没有用ZCD绕组,但是使用了理想比较器来对电感电流进行检测,当电感电流低于0.001A时,发出5V ,其表达语句为:if( -I(L1) < 0.0001 , 5 , 0)
    开关管的驱动用是也是一个理想比较器:if(V(pfc_drv) > 3 , 10 , 0)
     仿真得到的波形:
    上侧绿色 :电感电流波形
    下图红色:乘法器的输出,可见乘法器完全给定了峰值电流的高度。
    下侧绿色: SEN电阻上的电压 PFC_CS。
      15.png
    (图9 临界模式的典型波形)
  一个完整的上电波形,过冲有点大, 可以调整反馈解决。
  上侧绿色 :输出电压
  下侧绿色 :PFC_CS
   下侧红色:乘法器的输出
    16.png
  (图10 临界模式的典型波形)
  从上图来看,该模型已经实现了临界模式PFC的功能。
  参考文档:
  1、ST L6562A     数据手册和应用文档
  2、TI  UC3854A  数据手册和应用文档
  仿真环境:
  Orcad Capture PSPICE A/D 16.6

  最后,谢谢观看,欢迎参与PSPICE仿真和建模的讨论。原理图和仿真文件:
临界模式 : tm_pfc_test_v1.pdf (58.84 KB, 下载次数: 1136)
海山
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高级工程师
  • 2015-10-11 00:31:45
 
能不能给个展开的波形图学习一下啊,谢谢。
maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-11 00:35:20
 
展开哪里的?
本帖最后由 maileyang 于 2015-10-11 00:39 编辑

maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-21 21:10:01
 
第三部分 : 平均电流模式的交错PFC仿真
  根据TI的文档,交错模式的CCM模式的PFC。能比同等功率的PFC电感能量至少降低一半,输入和输出纹波电流也大幅度的降低。能降低Cbulk电容的容量和体积,也可以降低差模电感的体积。
  不必多说太多,下面是控制模型。是在UC3854A的平均电流控制的基础上,增加一相固定延迟的的输出。两路PFC信号共用误差放大器,乘法器的输出,平均电流给定。其PWM比较电路,在三角波上插入一个固定的延迟。比如100KHZ的周期是10us,这里另外一个通道固定延迟5us。这样就简单的实现了交错PFC的控制。
1.png
上图可以中可以看到,两个实现PWM脉宽的三角波和平均电流的给定比较,其中一个三角波滞后5us,即半个周期。第三幅显示的是两相电感电流,最下侧为两路PWM的驱动信号。
  其其模型为:
123.png


仿真一个完整的上电波形为:



2.png
下面是展开后的一个周期:
上面两个图像都是三角波和平均电流的给定。
第三幅是两个电感的电流。
最后面是两路PWM的驱动波形。
3.png

原理图: twophase_interleaving_ccm_pfc_v.pdf (86.3 KB, 下载次数: 1119)
paopaosaisai
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本网技师
  • 2018-12-29 21:32:07
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谢谢,好东西
paopaosaisai
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本网技师
  • 2018-12-29 21:37:51
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非常感谢,学到了
kingtonliu
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副总工程师
  • 2019-1-24 17:49:21
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好东西!感谢分享
paopaosaisai
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本网技师
  • 2018-12-29 20:16:04
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非常感谢
maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-10 23:17:25
 
仿真所需要的库:
ABM  行为模型库
ANALOG 模拟元件库
SOURCE 电源库


pengjin0710
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本网技师
  • 2015-10-10 23:32:29
 
帅锅出品,必属精品,弱弱问一句 能不能把设计仿真模型遇到的问题、为什么会有这样的波形、仿真模型在实物上需要注意哪些问题分享一下
maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-11 00:39:20
 
金哥,你好。
这个仿真是针对系统级,没有针对元件级来建模哦。
如果要元件级建模,那么电感的寄生电容,管子的Coss电容,二极管的反向恢复电流也应该要搞进去。
这样得到的波形才更加接近现实。
xujialong1215
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本网技工
  • 2015-10-20 08:58:30
 
膜拜呀  帅哥
lixintian1
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初级工程师
  • 2017-1-11 23:34:02
 
大神,能否提供下这几个库,我安装的是16.5,但是仿真的时候总是显示,有几个器件没有添加,比如FFLOP在我的软件中就找不到。谢谢
背着龟壳的猫
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本网技工
  • 2017-2-9 11:24:44
 
application.olb库不是自带的,楼主好像没给。。。。。。弱弱问一下解决了么。。
星宇
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版主
  • 2015-10-25 22:58:29
 
楼主,你好,可以贡献点模型供LTSPICE使用么?
maileyang
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副总工程师
  • 2015-10-26 19:40:23
 
大师,您好。LT SPICE 我不会玩啊。
P SPICE 不能转到这个软件吗?
JamesHacker
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高级工程师
  • 2015-12-16 15:57:52
 
杨帅的仿真真是棒啊,就算不懂这种技术,看看电路图都学到了不少SPICE的东西
背着龟壳的猫
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本网技工
  • 2017-2-8 22:49:57
 
膜拜!!都是精华啊!!最近正被PSpice搞的头疼!
背着龟壳的猫
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本网技工
  • 2017-2-9 11:22:39
 
缺少APPLICATION.OLB的库,相关元件无定义 1486610532(1).jpg
wangzhuang94
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本网技工
  • 2017-11-16 13:12:51
 
请问这个问题怎么解决
powersu
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本网技师
最新回复
  • 2019-2-27 00:17:22
  • 倒数1
 
兄弟,请问一下这个问题解决了吗。我下载了源文件,仿真也遇到了这个问题!
1.PNG
浪迹天涯1885
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初级工程师
  • 2018-6-8 16:42:03
 
正需要,谢谢!!
小贤电源
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本网技师
  • 2018-8-4 16:24:19
  • 倒数10
 
大佬你是真厉害啊。您这是直接把控制芯片的内部电路给搭出来了
leiyu1139
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本网技师
  • 2018-12-2 10:43:06
  • 倒数9
 
正想做个28180的PFC仿真,看看楼主是怎么做的 。。感谢楼主的无私精神。
leiyu1139
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本网技师
  • 2018-12-2 10:45:30
  • 倒数8
 
想问问楼主,28180实际应用中发现功率到了一定程度会出现输入电流波峰出凸起,这是什么情况?
paopaosaisai
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本网技师
  • 2018-12-29 20:15:09
  • 倒数7
 
好东西,谢谢
hutu2174
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本网技工
  • 2019-1-22 19:34:52
  • 倒数3
 
感谢分享,很有用
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