移相全桥的控制模型的建立和仿真

转自:http://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=226811 (这篇真是太棒啦)

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 
   如果对移相全桥控制和仿真感兴趣,就看下文啦。
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  备注:感谢 ailuer_shijidianyuan 的指点,现在已修正控制逻辑的问题。2015/10/21 
   昨天晚上根据UCC3895的数据手册,搞出了超前桥的对称驱动和可调死区时间后。想接下来的问题,就是怎么实现滞后桥的发波和如何实现闭环控制。但是在开始研究滞后桥发波之前,应该先将超前桥的发波搞清楚。


  1、            频率和时钟设定
        

      (图1 频率和时钟信号的产生)

   由在RT引脚外接的电阻,限制了对CT电容充电的电流。可在CT电容上产生一个固定频率的三角波。然后将这个三角波同两个电压进行比较,由RS触发器产生时钟信号。其中经过反相门的#CLOCK时钟,在后面的电路中作为周期时钟信号。用来限制PWM的宽度,简单的讲就是当#CLOCK由高到低>低到高时。PWM必须关闭,并开始新的周期。因为这个#CLOCK送到DFFRS触发器U6的CLK引脚,这个信号是要上升沿触发。所以可以看到#CLOCK从低到高变化,即上升沿时,DFFRS触发器发出一个新的波,可见下图。

   

   (图2 #CLOCK 是如何作用用滞后桥的)

  2、            滞后桥的开关

             

                 (图3 #CLOCK 决定了周期的长度)

   首先#CLOCK送到DFFSR触发器U6的CLK脚,这个触发器的R为LOW,D接#Q,S在上电时保持为LOW。那么Q和#Q的输出长度就等于#CLOCK的周期长度。Q和#Q 作为互补对称的方波输出到DELAY电路,在IC内部可以通过电阻来调节死区时间的长度,参见图2。如果是仿真可以不必理会这里的电路,我们更关注核心控制部分。这个触发器U6的输出Q对应着滞后桥的驱动A,#Q对应着滞后桥驱动B。

3、            超前桥的开关

   在考虑实现超前桥的驱动时,非常有必要理解(A和D // B和C)的重叠长度和PWM比较器的关系。我在UCC2895的手册里看到了一张逻辑非常清晰的时序图,从这个图可以很简单的理顺超前 // 滞后桥的控制与反馈的关系。 
        
              (图4 滞后桥的闭环控制)
 

   A&B为互补对称的滞后桥,C&D为超前桥。COMP为PWM比较器的同相输入,是误差放大器的输出。其反相输入,可以接CT电容上的斜坡电压做电压模式控制,也可以连接原边电流做峰值电流模式控制。但其目的都是,让COMP电压控制斜坡电压的高度,而决定了两路对角驱动信号重叠时间的长度,也就是决定副边电感上的占空比。下图是PWM比较器E5的输出和副边电感L3上的电压波形,可以明显的了解驱动信号重叠时间和副边电感上的占空比的关系。

          

    (图5 PWM比较器的输出和副边电感的电压波形)

   从图4第三排的PWM信号的宽度,可以看出对滞后桥的影响。从上往下来看,不难发现PWM信号的宽度就是(C对A 或 D对B)的滞后时间,也就是A先开通后,C延迟多久开通(C为高则D为低)。那么就产生了A和D对角驱动的重叠时间长度,这个重叠的时间长度就是加到副边电感上的占空比。

   如果我们让滞后桥A&B发波(A为HI),在设置一个电路让C为LOW(D则为HI,因为是C和D是触发器的两个输出Q和#Q,两者逻辑相反)。只有当PWM比较器发出的高电平PWM_FLAG后(表示对角驱动信号的重叠时间结束),C&D中的C才从LOW转变为HI(而D也就变为LOW,实现了超前桥的关断)。而且C&D必须同时服从一个周期的长度。然后再插入合适的死区时间,这样不就实现了用误差放大器,对C&D与A&B的驱动信号重叠时间长度的控制吗?也就能成功实现闭环。那么,下面我们将看看UCC3895是如何实现这些功能的。

       

                 (图6  滞后长度和闭环控制)

   先从PWM比较器E5开始吧,误差放大器的输出连接(Verr)到PWM比较器E5的同相输入端(+)。RAMP引脚连接到比较器的反相输入端(-)。(这个RAMP引脚上前文已经说过,可以接CT做电压模式,可接CS做峰值电流控制)。不论控制模式如何,PWM比较器的输出是送到一个与非门U11A。这个与非门的输入信号还有:

   1、CS比较器发出的过流信号(OCP),当CS电压高于2V后,发出HI到这个与非门(可以强制关闭当前脉宽)。
   2、PWM比较器E5的输出。做脉宽调制用,非常重要。
   3、#CLOCK,周期时钟信号。保持系统频率一致。

   在此,我们不难想到一个典型的工作状态:在一个新周期的开始(假设是峰值电流模式):
  1、 Verr电压比CS电压高,PWM比较器输出为HI。
  2、 过流保护比较器,VCS电压也低于2V,其输出也为HI,
  3、而周期时钟信号#CLOCK,此时也为HI。    那么这个与非门U11A的输入是3个HI,输出是LOW。   此时 A为高,B为低。C为低,D为高。全桥的A>D对角驱动信号同时为高,向副边传递电流。

  

               

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2015-10-16 22:28 上传

(图7 控制滞后桥的DFFRS触发器和两个关键的与非门)

控制超前桥的DFFRS触发器U14的D和CLK被强制为低,其输出就只看R和S的输入了。可以这样简单的理解:当R =LOW ,S = HI , Q = HI, #Q = LOW。当R = HI ,S = LOW ,Q = LOW, #Q= HI。
   现在可以重点关注这里了,因为马上就接解开如何移相的难题。首先要考虑的是当PWM比较器的输出由HI转到LOW时候(峰值电流VCS高于Verr,此时需要立即关闭PWM信号)。这个三输入的与非门U11A,其中一个输入PWM比较器E5的输出就从HI转为LOW,它U11A的输出也会从LOW转为HI。
   控制超前桥的触发器U14:其R引脚输入有一个与门U13B,与门的一个输入是U11A的输出,此时的状态是HI。另外一个输入连接到滞后桥的#Q(也就是驱动B)。此时滞后桥的触发器的输出Q为HI (驱动A 为高),#Q为LOW(驱动B 为低)。那该与门U13B的两个输入脚的状态是:1、#Q为LOW(驱动B为低),2、H。则与门U13B的输出为LOW。此时超前桥触发器U14的R引脚 = LOW。可见图8。
    
(图8 控制滞后桥的DFFRS触发器的R脚的工作波形) 
  再来看看该触发器U14的S引脚,S的输入也有一个与门U13A。该与门的两个输入为:1、与门的一个输入是U11A的输出,此时的状态是HI。2、连接到滞后桥的驱动信号A,此时滞后桥触发器U6的输出的Q = H (驱动A为高)。则与门U13A的输出为 H,超前桥触发器U14的S脚为 H。 见图9。
    
(图9 控制滞后桥的DFFRS触发器的S脚的工作波形) 
   当PWM比较器E5输出信号由H转LOW时(需要结束A&D 或 B&C 的重叠时间),超前桥DFFRS触发器U14的输入是:R  = LOW , S = HI。输出则是Q =HI (C 开通), #Q =LOW (D 关闭),对应着结束了A和D的驱动重叠时间。然而等到一个周期结束时,滞后桥的驱动A&B,由时钟信号#CLOCK重置。
    超前桥的关闭的标志,是由 PWM比较器E5的输出由高转低,控制的与门U13A输出LOW转为HI时。
    滞后桥的关闭标志,是时钟信号#CLOCK改变滞后桥触发器U6的输入,将A和B的的信号互换。意味这一个周期的开始和结束。见图10。
 
  (图 10控制滞后桥的触发器的工作状况) 

  所以, 根据上述的内容,我们可以建立以下模型:
    
    (图11 仿真模型)
  
模型功能和解释:
  1、CT定电流充电产生三角波直接由三角波电压源代替,通过比较器和触发器产生时钟信号。
  2、U6 输出互补对称的方波,没有死区时间。
  3、四路死区时间延迟电路,注意输出是AND门,意味这由触发器的发出的信号关闭时,驱动级DRVABCD都必须关闭。这个AND门用的好!
  4、误差放大器和PWM比较器。很简单不必多说。
  5、滞后桥的SR触发器,其工作过程上文已经讲了许多。

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