本文主要结合前面关于Boost电路设计及环路补偿的相关分析,通过TINA-TI仿真平台研究Boost电路各个点的电压、电流波形,从而更好地理解Boost电路工作原理。TINA-TI 具有广泛的后处理功能,是专门为德州仪器(TI)而准备的,其里面的器件都是德州仪器公司的,提供了 SPICE 的传统直流、瞬态和频率域分析等,可以很方便的上手学习。仿真源程序文末附件下载,欢迎大家交流学习。
一、选择Boost电源管理芯片
LM5022 器件是一款适用于升压稳压器的高压、低侧N 沟道 MOSFET 控制器。该器件的输出电压调节基于电流模式控制,不仅可以简化环路补偿的设计,同时还能够提供输入电压前馈。LM5022 包含一个启动稳压器,该稳压器能够在 6V 至 60V 的宽输入范围内工作。通过官网下载LM5022的PSpice模型。
二、搭建仿真模型
借助Tina仿真平台完成仿真模型的搭建,Boost开关频率设为300kHz,选择反馈分压电阻使LM5022的反馈引脚电压为1.25V,仿真模型如下
Boost电路仿真模型
三、仿真波形分析
①Mos开关电压波形和电感电流波形
当Mos打开时,输入电流流过电感,电感电流增加,二极管反偏,能量储存在电感中,输出能量由储存在输出电容中的能量提供;当Mos关断时,二极管正向偏置,电感中的电流通过二极管流向电容,储存在电感中的能量减小,由于电感的电流不能突变,当Mos断开时,电流不能突变,而是以一定斜率降低。
Mos开关电压波形(深红色)和流过电感电流波形(浅黄色)
②Diode电流波形(绿色)和流过电感电流波形(紫色)
当Mos关断时,二极管导通,电池电压和电感中的能量一起向电容和负载提供能量,二极管导通时间和电感电流下降时间相同。结合上图中电感电流和Mos开关波形,可以看出电感、二极管和Mos开关管之间的电流关系,Mos流过电流为开通期间流过电感的电流,二极管流过电流为电感Mos关断期间流过电感的电流,流过电感电流最大值为7.04A,与理论计算值6.961A接近。
仿真Diode电流波形(绿色)和流过电感电流波形(紫色)
理论计算Diode电流波形(蓝色)和流过电感电流波形(红色)
③仿真输出结果
仿真结果显示从启动到达到稳定经过30ms左右的时间,输出电压达到稳定的50V,输出电流为1.25A。
④环路补偿
如果开关电源电路的特性在某一频率下增益等于1(0dB)且相移量为180°时,那么控制环路将出现正反馈,导致在此频率下维持振荡。为避免开关电源出现类似的不稳定现象,通常在环路控制电路中采用反馈补偿降低高频端的增益,使开关电源在预设频率范围内都保持稳定。
环路补偿Bode图如图所示,增益降到0dB时所对应的相位是1.5kHz,相位为0deg时所对应的增益大小(实际是衰减)是-22.4dB,有56°的相位余量,环路稳定。
结束语:本次主要结合前面的理论计算进行仿真元器件选型,并搭建Boost开关电源仿真模型,并将仿真结果与理论计算进行对比,仿真结果验证里理论计算的准确性。关于Boost电路的相关分析及介绍到本篇文章暂时告一段落,后面将对基本电源拓扑中的Buck电路惊醒理论实例计算和仿真分析,欢迎大家关注和支持。