【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——006 小信号建模讨论

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【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——006 小信号建模讨论 [复制链接]

 

小信号建模讨论

 

        开关电源的小信号模型主要推导了开关电源的平均模型，并描述了不同的平均模型，开关电源的各种平均模型，可以分为态空间平均（SSA）、电压模式、电流模式、寄生元件效应、在边界导通模式下的PWM模型、PWM开关模型的电路集以及其他开关电源的平均模型等。

        态空间平均模型（SSA）提供了一种推导变换器传输函数的方法，这是一种很长很复杂的过程。它主要针对整个变换器的工作原理进行分析，其优点时对变换器转换原理剖析叫清晰，涉及到每个电子元器件及其寄生参数。但缺点也很明显，当电路中有电子元器件变化时，如加入新的滤波元件，就需要根据新的电路重新推导。变换器传输函数推导过程中，工程师一般更注重大信号模型，往往会忽略小信号模型。

        从变化器的原理分析可知，电路本身导通和截止两种状态，并且都包含线性网络。但电路在转换过程中存在非连续性（如MOS管开关时电流波形存在非连续性），这种非连续性就需要进行平滑。那么如何平滑这种非连续性？工程师们常常使用波形平均的方法（LC滤波），对电路建立大信号平均模型。与大信号模型对应的所示小信号模式，小信号模型常常被忽略，但它关系到变换器系统的稳定性，如输出电压纹波、线性调整率、频率响应以及EMC等。因此，研究变换器的小信号模型，有利于通过求得系统频率响应曲线，进一步对变换器做补偿。

        变换器非线性的根源来自哪里？那必然是开关晶体管和二极管。为了将非线性器件与小信号模型联系起来，作者引入了PWM 开关。在变换器中，存在不同的控制方法，如电压模式和电流模式。在此前的几篇文章中，有重点讲过，电压模式无需检测电流，电路拓扑简单，但对输入电压抑制能力差，难以使变换器稳定工作在CCM模式。而电流模式需要始终检测电感电流，并按照工作检测要求调整电流值。以上两种方法都需要特殊的PWM开关模型，使变换器在CCM和DCM之间变换。

        此外，工程们还常常会关注到电路元器件的寄生元器件效应，如ESR、ESRL、ESC等。这些参数常常会对变换器的频率响应产生影响、乃至系统稳定性。在讨论系统稳定性时，零点和极点在复平面的位置会非常重要。在求取零点和极点之前，需要先取得系统的环路增益表达式。当环路增益表达式的分子为零时，所对应的频率点为零点位置，有几个根就有几个零点。同理，当环路增益表达式的分母为零时，所对应频率点位置为极点。