基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计

滨江学院学年论文题目峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析院系滨江学院^专业电气工程与自动化学生姓名徐小松学号061指导教师毛鹏职称讲师二Ｏ一一年二月十八日{峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析徐小松南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化，南京210044摘要：传统的电压型控制是一种单环控制系统，是一种有条件的稳定系统。

因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。

从原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展，阐述了各种控制方法的优缺点。

峰值和平均电流型控制是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。

因而对这两种方法的讨论得出一些结论。

…关键词：BOOST变换器，功率因数PFC，峰值电流控制，平均电流控制1 引言峰值电流模式控制简称电流模式控制。

它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。

在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。

直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。

近年来，由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。

误差电压信号送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号UΣ比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。

因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制P WM脉冲宽度。

2Boost变换器及其工作原理|工程中常用的升压（Boost）变换器的原理图如图1所示[5][6]，其中Vi为输入直流电源，Q为功率开关管，在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态，Q导通，输入电流流经电感L和开关管Q，电感L储能；开关管Q 截止时，二极管D 导通，直流电源Vi 和电感L 同时向负载R 供电，输入电流经电感L 、二极管D 流向负载R ，同时给电容C 充电，电感L 释放能量，在理 想情况下，该电路输出电压：()i out v dv -=11ViLR Vout图1 BOOST 变换器式中D 为Boost 变换器的占空比，因为占空比D<1，所以V （out ）>Vi ，故称升压式换器。

基于峰值电流控制的反激变换器的建模与设计反激变换器是一种常用的开关电源电路，应用广泛，供应系统电力负载。

与传统的直流-直流变换器相比，反激变换器具有一些优点，比如高转换效率，高电压转换比等等。

对于反激变换器的建模与设计，峰值电流控制是一种常见的方法，下面介绍具体步骤。

反激变换器的结构一般包括输入直流与谐振电容的串联，幺变压器，输出直流电流检测电感器，输出电感和输出滤波电容以及开关管组成。

在典型的反激变换器中，输人电压Ug经过谐振电容存储能量，然后经过开关管（一般为MOSFET）通过幺变压器产生一个瞬态高压脉冲。

该脉冲被送到输出端，经过输出电感和滤波电容后变成稳定的直流输出电压Uo。

反激变换器的运行原理是通过开关管的开关动作实现。

开关管在开启状态下，Ug通过其导通，将电能储存到谐振电容Cres上，然后通过闭合开关，将谐振电容Cres的能量释放到幺变压器上，产生一个脉冲电压，并将其通过输出滤波电容Cout释放到输出端，形成稳定的电压输出。

然后开关管再次断开，回到等待状态，以反复周而复始。

为了建立反激变换器的控制模型，我们需要确定转换过程中的一些参数，例如输入电压Ug、输出电压Uo、电感L和电容C等等。

在设计反激变换器时，一些主要任务包括电压转换比、输出电压纹波、谐振电容的选择以及开关和电感时序的选择等等。

峰值电流控制方法可以帮助我们实现了对反激变换器的控制，并且其原理和步骤也简单易懂。

首先，确定开关管的控制信号：当Uc>Us时，开关K1关闭，Uc通过电阻R1放电；当Uc<Ud时，开关K1-close，Uc开始充电。

其次，计算反激电流：当开关K1关闭时，谐振电容通过幺变压器将能量传递到电感L1中，产生的反激电流可表示为Ir=L1(du/dt)。

在峰值电流控制中，我们需要根据Ir的峰值确定开关管的导通时间。

通过选择合适的控制电路可以实现定时控制和逻辑控制，从而保证反激电流的峰值始终保持在合适的范围内，同时也保证了输出电压的稳定。

基于峰值电流控制的反激变换辅助电源设计
吴长顺;张继红;杨蕾
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2007(24)4
【摘要】介绍一种利用UC3844集成芯片实现的多路输出单端反激式开关电源.采用基于峰值电流检测方法控制,并加入低电压保护功能.该电源适用于IGBT开关管等驱动电路供电,可作为高压大功率场合辅助电源使用.文章给出了电路原理及实测波形,此电路目前已成功应用在一台软开关全桥PWM变换器的辅助电源中.
【总页数】3页(P71-73)
【作者】吴长顺;张继红;杨蕾
【作者单位】黑龙江省计量检定测试院,黑龙江,哈尔滨,150036;哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江,哈尔
滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
【相关文献】
1.双管反激辅助电源设计 [J], 彭洵;廖无限;谌军;徐丽虹
2.正弦平方补偿峰值电流控制CRM反激PFC变换器 [J], 何俊鹏;许建平;高旭;阎铁生
3.一种应用于光伏系统的反激辅助电源设计 [J], 高滨;陈坤鹏;夏东伟;徐纪太
4.宽输入范围大功率双管反激辅助电源设计 [J], 徐纪太;黄传东;夏东伟;高斌
5.基于峰值电流控制的反激式LED电源设计 [J], 陈新兵;唐雄民;胡维;谢斌盛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

反激式变换器环路分析与建模Technical Note 安森美半导体应用系列技术笔记AN01010101 V1.00 Date: 2012/09/18类别内容关键词反激，环路建模摘要本文采用基于传递函数的经典控制理论，介绍了反激式变换器的功率级和补偿网络分别在CCM模式和DCM模式下的小信号模型，并基于NCP1200及NCP1015构建反激式变换器，在Matlab环境下验证所建数学模型的合理性。

广州周立功单片机发展有限公司修订历史目录第1章反激式变换器环路分析与建模 (1)1.1 概述 (1)1.2 基础概念 (1)1.2.1 与环路分析相关的几个概念 (1)1.2.2 性能优良的开关电源的设计目标 (3)1.3 传递函数的建立 (4)1.3.1 补偿网络传函（Hs） (4)1.3.2 功率级传函（Gs） (6)1.4 Matlab分析 (7)1.5 总结 (9)第1章反激式变换器环路分析与建模1.1 概述在反激式开关电源的设计中，对于缺乏设计经验的工程人员，闭环回路相关参数的调试将会耗去大量的时间和精力。

最让开发人员困惑的是，当自己设计的开关电源表现不佳（比如噪声过大、空载震荡、开机过冲太大等）时，不知道该调整电路中的哪些参数来得到想要的性能。

众所周知，开关电源是一个典型的闭环控制系统，而且是一个高度非线性时变系统。

一般而言，涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究，不过，基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂，这一点令开关电源的开发人员望而却步。

在实际工程应用中，非线性系统可以近似线性化处理（相关理论可参考胡寿松版《自动控制原理》第二章内容），从而在保证合理性的情况下，降低研究问题的难度。

因此，采用基于传递函数经典控制理论被广泛应用于实际工程分析中，当然，本文讨论的反激式变换器的建模问题，果断地采用了这种方法。

本文尝试对应用比较广泛的反激式变换器进行建模分析，包括功率级和补偿网络两部分，并在Matlab环境下编写m文件，利用Bode图分析其开环传递函数的幅频特性曲线和相频特性曲线，以及动态响应特性。

基于峰值控制的交错 Boost变换器建模与设计阎昌国;龚仁喜;刘小雍【摘要】交错Boost变换器作为中大功率开关电源前级PFC技术的核心部分，其数学建模对开关电源的设计至关重要。

本文基于峰值电流控制技术，提出了一种交错Boost变换器的建模与设计方案。

运用时间平均等效原理，导出了该方案的完整交流小信号模型，设计了控制器补偿网络，并制作了一台800 W的实验样机。

测试结果表明，该方案具有峰值限流好、动态响应快、输出电压波动小等优点。

%Interleaved Boost converts are the core of the former PFC in the high-power switching power supply , its mathematical modeling is very important for switching power supply design .A new modeling and design method for interleaved boost convert with the peak current control is proposed in this paper .Firstly its whole AC small-sig-nal model is derived based on time averaging equivalent principle .Secondly its controller compensating network is designed ,Finally a 800 W prototype is made .The experimental result show this method has good peak current limit-ing, fast dynamic response and small output voltage fluctuation .【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)002【总页数】5页(P44-48)【关键词】交错Boost;开关电源;峰值电流;小信号模型【作者】阎昌国;龚仁喜;刘小雍【作者单位】遵义师范学院工学院1，遵义 563002;广西大学电气工程学院2，南宁530004;遵义师范学院工学院1，遵义 563002【正文语种】中文【中图分类】TM615电工技术随着电力电子控制技术的高速发展，开关电源已逐步向高频化、大功率化与集成化发展。

基于峰值电流控制的反激式LED电源设计陈新兵;唐雄民;胡维;谢斌盛【摘要】针对高性能LED驱动成本偏高的问题,基于原边反馈与峰值电流控制方案,设计了一种经济型反激式电源拓扑,采用恒流驱动芯片BP9021A实现了其硬件电路.性能测试表明,该设计具有恒流特性好、性能稳定、结构简洁和成本低廉等优点.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(013)006【总页数】4页(P65-68)【关键词】原边反馈;峰值电流模式;反激变换器;LED恒流驱动【作者】陈新兵;唐雄民;胡维;谢斌盛【作者单位】广州大学实验中心,广东广州510006;广东工业大学自动化学院,广东广州510006;广州大学实验中心,广东广州510006;广州大学实验中心,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM46;TM86反激式拓扑具有电路简洁、成本低与性能高等优点，在中小功率LED驱动电源中得到了广泛应用，在针对现有拓扑的改良中，简化设计与降低成本是一大研究热点［1－4］，其重点在于反馈调节器与反激变压器的设计，基于原边反馈的几种反激式拓扑［5－9］，简化了二者的设计，但辅助绕组供电设计、反馈调节和补偿电路仍显复杂，实用性稍差，不利于普及，改进设计非常必要.此外，随着SMT技术的应用普及，以及芯片设计的不断进步，电子产品的小型化已是发展趋势，在满足一定性能指标的前提下，缩小电源的体积［6］，适应SMT 批量生产，也是LED驱动电源研究的重要内容.本文设计了一种基于原边反馈与峰值电流控制方案的反激式拓扑［10－11］，结合专用芯片完成了其硬件设计与测试，在保障一定性能的情况下，简化了设计，降低了成本，减小了体积，有利于LED照明的普及推广.LED是电压敏感型器件，恒流驱动电源的设计，直接关系到整个照明灯具的使用寿命，其拓扑结构是决定LED节能灯性能指标的重要因素.根据反激式拓扑安匝比守恒原理，基于峰值电流模式设计了一种新型反激式电源拓扑见图1，系统工作于电感电流断续方式，以原边电流采样电阻、峰值检测、LEB前沿消隐、与非门、PWM调制、栅极驱动和开关管等环节构成反馈调节器.当输入电压或负载在一定范围内波动时，通过调节PWM输出的占空比，来确保电源电流输出的恒定性，满足中小功率LED驱动电源性能与成本的设计需要.而无需辅助绕组、光耦与补偿电路，大大简化了调整器与变压器设计.此外，在原边控制回路中，由于功率管导通瞬间会产生脉冲峰值电流，如果采样此时的电流值并进行控制，会因脉冲前沿的尖峰产生误触发动作［7］，图中的前沿消隐延时模块LEB即用于消除这种误触发隐患.市电驱动型LED是应用最广泛的节能灯，3 W以下的LED照明较为常见，图2是根据前述拓扑设计的经济型驱动电源，采用了LED专用恒流驱动芯片BP9021A，设计恒流输出300 mA，最大输出功率3 W，大部分元器件采用SMT工艺，便于减小体积和批量生产.2.1 芯片简介BP9021A是一种新型LED驱动芯片，采用反激式拓扑结构，基于原边反馈和峰值电流控制方案，适用于3 W以下的小功率LED照明，芯片集成度高，内置稳压电源、峰值检测、消隐电路、保护电路及PWM控制模块，不需要外接辅助绕组、光耦与次级反馈、补偿电路，大大简化了硬件设计，实现了高精度的LED恒流输出和优异的恒流特性.2.2 电路原理电源工作于断续电流方式.市电经过整流滤波后，经原边绕组、IC内置功率管和电流采样电阻，构成输入回路；当检测电流超过设定的参考值时，功率管自动关断，次级绕组放电，与续流二极管和LED照明负载构成的输出回路，开始导通工作. 2.2.1 启动通电后，VCC电容C2经由启动电阻R1充电，当电压达到芯片工作要求时，芯片正常启动工作.BP9021A内置17 V稳压管，用于钳位VCC电压.芯片正常工作时，需要的VCC电流极低，无需另外供电.2.2.2 恒流控制芯片工作时，按周期检测原边峰值电流，输入至峰值电流比较器，与参考电流进行比较，当采样电流达到参考电流值时，开关管关断.原边回路的峰值电流为其中，RCS为电流采样电阻阻值.LED输出电流为其中，Np、Ns分别是原边、副边绕组的匝数，峰值检测计入了500 ns前沿消隐时间.2.2.3 工作频率芯片逐周期检测变压器原边峰值电流，产生PWM调制信号，最大占空比为42%，最大频率为120 KHz，具体工作频率取决于反激变压器参数，设计样机工作于59.2 KHz，其计算公式为其中，Lp是原边绕组电感，VLED、ILED分别是负载的正向电压与正向电流.2.2.4 保护功率管关断瞬间变压器原边绕组两端会产生瞬时高压，采用了RCD电路吸纳［8］；导通瞬间会产生瞬时高脉冲，利用芯片内置的前沿消隐延时电路避免了峰值检测可能造成的误动作.芯片还内置了LED开路／短路保护，过载保护，欠压保护，芯片温度过热调节等保护功能.LED器件本身寿命高达10 Wh，但驱动电源寿命远低于10 Wh，决定了整个灯具的使用寿命，驱动性能包含转换效率、恒流特性、可靠性和电气安全性等因素. 下面以驱动3 W固定负载为例，介绍所设计电源在宽电压输入下测试的2个关键指标：电源效率和恒流特性.3.1 电源效率转换效率是衡量LED照明节能效果的主要指标，目前驱动环节的效率一般在80%左右.实测交流输入电压变化对LED驱动电源效率的影响，绘制特性曲线见图3，可见电源效率保持在72%～79%范围内，220 Vac输入电压下的电源效率典型值为74.2%，可以满足日常LED照明的能效要求.3.2 恒流特性电流稳定度是决定LED节能灯寿命的关键指标，如果驱动精度不高、恒流特性不佳，将直接导致LED灯珠的光衰与损毁.实测交流输入电压变化对电源恒流输出性能的影响，绘制特性曲线见图4，可见输出电流保持在293～298 mA范围内，220 Vac输入电压下的输出电流为295 mA，电流调整率为1.6%，保持了较好的恒流输出特性，保障了LED节能灯的使用寿命.本文设计了一种经济型LED反激式拓扑，采用专用LED恒流驱动IC简化了硬件设计，由于采用了SMT工艺，缩小了体积，便于批量生产.测试表明，该设计具有优异的恒流特性，解决了LED驱动成本偏高的问题，适用于中小功率LED照明，具有一定的推广价值.【相关文献】［1］江磊，刘木清.LED驱动及控制研究新进展［J］.照明工程学报，2014，25（2）：1-9. JIANG L，LIU M Q.New progress of research on LED driver and control technology［J］.China Illumin Engin J，2014，2 （25）：1-9.［2］唐雄民，张淼，章云.一种具有自动均流特性的简易非隔离型多路LED串驱动电路［J］.电工技术学报，2013，28 （7）：218-225.TANG X M，ZHANG M，ZHANG Y.A simple non-Isolated driver with inherent current balancing Mechanism for Multi-Channel LED Strings［J］.Transact China Electr Soc，2013，28（7）：218-225.［3］陈洋，段哲民，郭龙.反激式变换器拓扑的LED电源设计［J］.电子设计工程，2014，2（22）：95-97.CHEN Y，DUAN Z M，GU0L.Design of LED power supply based on flyback converter ［J］.Electr Design Engin，2014，2 （22）：95-97.［4］黄登科，刘拓夫，王正仕.原边控制反激式LED驱动电源的研究［J］.机电工程，2013，7（30）：866-869.HUANG D K，LIU T F，WANG Z S.Research about primary side regulation flyback LED driver［J］.J Mechan Electr Engin，2013，7（30）：866-869.［5］徐列群，杨武，肖煌兵.基于反激变压器的LED恒流电源设计［J］.中国照明电器，2013（3）：5-9.XU L Q，YANG W，XIA0H B.Design of LED constant current power source based on flyback transformer［J］.China Light Light，2013（3）：5-9.［6］董硕，陈苏广，张涛.基于L6562的单级PFC反激LED电源的研究［J］.电子技术应用，2012，3（38）：63-66.DONG S，CHEN S G，ZHANG T.Study of the flyback LED driver with single-stage PFC based on L6562［J］.Appl Electr Tech，2012，3（38）：63-66.［7］相琛.一款高精度原边反馈恒流LED驱动芯片的设计［D］.西安：西安电子科技大学，2014. XIANG C.The design of a precision primary-side feedback constant current LED driver chip ［D］.Xi'an：Xidian University，2014.［8］周俊生，朱惠宗，孔镇.一种大功率LED照明驱动电源的设计与研究［J］.电子产品世界，2014（2）：40-42.ZHOU J S，ZHU H Z，KONG Z.Design and research of a high Dower LED lamp drive power supply［J］.Electr Engin Product World，2014（2）：40-42.［9］李帆，沈艳霞，张君继，等.一种新型高效LED驱动电源设计［J］.电源技术，2014，8（137）：1425-1428.LI F，SHEN Y X，ZHANG J J，et al.A novel high-efficient power supply for LED［J］.Chin J Power Sourc，2014，8（137）：1425-1428.［10］程豪，胡斌，陈阳生.具有高功率因数的原边反馈LED恒流电源的研究［J］.轻工机械，2014（5）：51-55.CHENG H，HU B，CHEN Y S.Study on primary-controlled high-PF LED driver［J］.Light Indust Machin，2014（5）：51-55.［11］王文建.高效率原边反馈隔离式LED驱动电路设计［J］.半导体集成电路，2014，5（39）：330-334.WANG W J.Design of high efficiency primary side feedback isolated LED drive［J］.Circuit Semic Tech，2014，5（39）：330-334.。

峰值电流控制Buck变换器高频建模及结合遗传算法的控制器
优化设计
程翔鹏;刘进军;邵钰;刘增
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2024(39)1
【摘要】峰值电流控制Buck变换器广泛应用于电源管理芯片。

小信号建模是设计其控制器的关键。

现有模型忽略电压外环引入的稳态控制信号纹波与小信号扰动延拓频谱对系统的影响,在高控制带宽场景下失效,从而无法指导控制器的设计。

该文首先指出控制器设计决定了控制信号纹波类型,进而研究了可导型纹波对系统建模的影响;然后综合考虑电压、电流环导致的频谱耦合,得到精确的高频模型;最后基于高频模型,提出一种结合遗传算法的高带宽控制器优化设计方法。

仿真与实验证明了该模型的精确性与设计方法的优越性。

【总页数】16页(P217-232)
【作者】程翔鹏;刘进军;邵钰;刘增
【作者单位】电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.V2控制BUCK变换器建模及控制器优化
2.峰值电流控制变换器斜坡补偿电路的优化设计
3.峰值电流模式控制的非理想Buck变换器的建模
4.一种正激变换器的峰值电流模式控制器的设计
5.仿电流斜坡峰值电流控制的Buck变换器设计
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基于UC3844的电流控制型反激变换器分析与设计云珂【摘要】分析反激变换器工作的基本原理,给出电路参数的选取原则以及RCD吸收电路的设计方法,基于电流型控制芯片UC3844,设计了满载功率36 W的反激变换器进行实验验证.实验结果表明,设计的电路满足设计要求,具有精度高、纹波小、效率高等优点.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】5页(P144-148)【关键词】反激变换器;RCD;UC3844;电流型控制【作者】云珂【作者单位】南京理工大学自动化学院,江苏南京 210094【正文语种】中文0 引言反激变换器具有体积小、成本低、可靠性高以及易于实现多路输出等特点，在中小功率领域得到了广泛应用，特别适用于作为各类控制系统的辅助电源[1]。

反激变换器中电感电流变化率较大，非常适合电流控制型的应用。

在反激变换器中，首先推荐使用电流控制型。

但是，由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏[2-3]。

因此，为确保反激变换器安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源[4-5]和无源[6-7]钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

本文分析了反激变换器的工作原理，详细说明了电路参数的设计方法，并基于UC3844控制芯片，设计了满载功率为36 W的反激变换器，以验证设计参数[8] 。

1 反激变换器的工作原理反激变换器（Flyback Converter）本质上属于Buck-Boost变换器，输入回路与输出回路隔离，既可以升压也可以降压，广泛应用于100 W以内的隔离式开关电源。

反激变换器的初级回路主要由输入滤波电容Cin1、PWM控制器、启动电路及控制器供电电路、反激变压器主绕组、开关管Q以及尖峰脉冲吸收电路等部分组成；而次级回路主要由反激变压器次级绕组、整流二极管D3、输出滤波电容C0等部分组成。