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开关电源的小信号模型及环路设计

文章作者：万山明吴芳

文章类型：设计应用文章加入时间：2004年8月31日22:9

文章出处：电源技术应用

摘要：建立了Buck电路在连续电流模式下的小信号数学模型，并根据稳定性原则分析

了电压模式和电流模式控制下的环路设计问题。

关键词：开关电源；小信号模型；电压模式控制；电流模式控制

引言

设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是很重要的一个部分。而环路的设计与主电路的拓

扑和参数有极大关系。为了进行稳定性分析，有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下，波特图提供了

一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象，

因此，用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和

负载剧烈变化过程）并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态，实践表明，依据小信号扰动模型设计出的控制电路，

配合软启动电路、限流电路、钳位电路和其他辅助部分后，完全能使开关电源的性能满足要求。开关电源一般采用Buck电

路，工作在定频PWM控制方式，本文以此为基础进行分析。采用其他拓扑的开关电源分析方法类似。

1Buck电路电感电流连续时的小信号模型

图1为典型的Buck电路，为了简化分析，假定功率开关管S和D1为理想开关，滤波电感L为理想电感（电阻为0），

电路工作在连续电流模式（CCM）下。Re为滤波电容C的等效串联电阻，Ro为负载电阻。各状态变量的正方向定义如图1

中所示

S导通时，对电感列状态方程有

L(dil/dt)=Uin－Uo（1）

S断开，D1续流导通时，状态方程变为

L(dil/dt)=－Uo（2）

占空比为D时，一个开关周期过程中，式（1）及式（2）分别持续了DTs和（1－D）Ts的时间（Ts为开关周期），因此，

一个周期内电感的平均状态方程为

L(dil/dt)=D(Uin－Uo)＋(1－D)(－Uo)=DUin－Uo（3）

稳态时，=0，则DUin=Uo。这说明稳态时输出电压是一个常数，其大小与占空比D和输入电压Uin成正比

由于电路各状态变量总是围绕稳态值波动，因此，由式（3）得

L[d(il+il)/dt]=(D＋d)(Uin＋Uin)－(Uo＋Uo)（4）

式（4）由式（3）的稳态值加小信号波动值形成。上标为波浪符的量为波动量，d为D的波动量。式（4）减式（3）

并略去了两个波动量的乘积项得

L(dil/dt)=DUin＋dUin－Uo（5）

由图1，又有

iL=C(duc/dt)＋Uo/R0（6）

Uo=Uc＋ReC(duc/dt)（7）

式（6）及式（7）不论电路工作在哪种状态均成立。由式（6）及式（7）可得

iL＋ReC(dil/dt)=1/Ro(Uo＋CRo(duo/dt))（8）

式（8）的推导中假设ReRo。由于稳态时dil/dt=0，dUo/dt=0，由式（8）得稳态方程为iL=Uo/Ro。这说明稳态时

电感电流平均值全部流过负载。对式（8）中各变量附加小信号波动量得

式（9）减式（8）得

iL+ReC(dil/dt)=1/Ro(Uo＋CRo(dUo/dt))（10）

将式（10）进行拉氏变换得

iL(s)=(Uo(s)/Ro)·[(1+sCRo)/(1+sCRe)](11)

(s)=（11）一般认为在开关频率的频带范围内输入电压是恒定的，即可假设=0并将其代入式（5），将式（5）进行拉

氏变换得

sLiL(s)=d(s)Uin－Uo(s)（12）

由式（11），式（12）得

Uo(s)/d(s)=Uin[(1+sCRe)/(s2LC+s(ReC+L/Ro)+1]（13）

iL(s)/d(s)=[(1+sCRo)/s2LC+s(ReC+L/Ro)+1]·Uin/