基于Saber的DC-DC变换器控制环路仿真研究

黄 鹰，李 勇，姜学想

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

基于Saber的DC-DC变换器控制环路仿真研究

黄 鹰，李 勇，姜学想

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

以CCM模式下的BUCK电压源为例，采用Saber仿真软件对电源控制环路进行辅助设计，并对BUCK电压源的输出动态特性进行仿真分析。仿真结果表明，在负载变化的范围内，电压很快达到了预期稳态，这说明设计电源控制环路的方法是正确可行的。

BUCK电压源；控制环路；Saber

0 引言

随着电力电子技术和电力电子器件的高速发展，高频开关电源已广泛应用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源等[1]。开关电源控制环路的设计一直都是开关电源设计的难点。以前在实际产品的研发过程中，一般是通过简单的调试来确定环路补偿参数，这增加了电源研发的难度和研发周期。

目前，采用计算机仿真辅助设计电力电子装置已成为一种趋势。常用电力电子仿真软件有Matlab, PSpic, Psim和Saber等，其中美国Synopsys公司销售的Saber软件功能较强大[2]。本文以连续导通模式（continuous conduction mode，CCM）下的BUCK电压源电路为例，基于Saber平台并使用其附带的TDSA工具来设计控制环路，并通过对比计算和仿真的结果，验证这种方法的正确性。

1 Saber软件简介

Saber软件主要由Saber Sketch, Saber Simulator, Cosmos Scope, Saber HDL Simulator等几部分组成。Saber Sketch用于绘制电路图，可以进行模块化和多层次化构造电路原理图，而Saber Simulator是电路仿真器，仿真结果可以使用Cosmos Scope查看。

1.1 Saber的特点

Saber软件主要有以下特点：

1）集成度高，绘制电路原理图和执行仿真，不需要切换工作环境，可在一个环境下完成。

2）可以进行混合信号仿真，更接近于仿真对象的实际模型；还可以和Matlab软件联合仿真，能发挥各自优势，效率更高。

3）有强大的图形处理能力，在Cosmos Scope中可以对仿真信号进行多种运算与处理，更符合实际工程需要。

1.2 Saber的仿真功能

Saber有多种高级仿真功能。

1）直流分析：直流工作点分析、直流扫描分析。

2）时域分析：瞬态分析。

3）频域分析：交流小信号分析、二端口分析。

4）线性分析：零极点分析。

5）参数分析：参数扫描分析、参数灵敏度分析，应力分析。

6）统计分析：蒙特卡罗分析。

7）傅里叶分析。

2 BUCK电压源设计

2.1 设计要求

1）输入电压Vi：DC，10V。

2）占空比d：0.5。

3）输出电压Vo：DC，5V。

4）负载电阻R1：1。

2.2 工作原理

CCM模式下的BUCK拓扑电压源通过MOSFET开通与关断来实现降压。基本的非隔离BUCK拓扑电压源如图1所示。

图1BUCK拓扑电压源Fig.1 BUCK topology voltage source

CCM模式下，BUCK拓扑电压源从控制占空比d到输出电压Vo的小信号传递函数为

式中：wz,c为电容C1和与其等效串联电阻RC产生的零点；

Q为品质因数；

w0为电感L和电容C1产生的双极点。

图2 无补偿的Gvd(s)增益曲线和相位曲线Fig.2 The gain and phase curves of uncompensated Gvd(s)

由图可以看出，主电路传递函数Gvd(s)的穿越频率为7.16kHz，相位裕量为62°。在穿越频率点上，传递函数增益曲线的斜率为-1，相位裕量大于45°。

只有让开环传递函数Gvd(s)H(s)获得足够的相位裕量，系统才是稳定的。从图2可知，静态增益较低，只有26dB，静态误差太大。要消除静态误差，就必须使增益曲线从0Hz开始就以-1或-2的斜率下降，因此要进行补偿。为了提高静态增益，需要在原点处产生一个极点，本文采用单零点单极点补偿电路。

如果开环传递函数Gvd(s)H(s)的穿越频率设计为10kHz，而前面计算出的Gvd(s)的穿越频率为7.16kHz，那么H(s)需要把整体的穿越频率往后推延2.84kHz。H(s)由两部分组成，一部分是需要设计的补偿环节K(s)，另一部分是脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）的调制比Fm，即误差放大器输出的误差电压幅值Ve与载波电压幅值Vp之间的比例。当Ve=Vp时，占空比为1，所以

Fm=1/Vp，H(s)=K(s)Fm，

开环传递函数为

K(s)Fm在10kHz频率点的增益为，而Gvd(s)在10kHz频率点的增益为

单零点单极点补偿电路中，设定反馈分压电阻为Rf1=3k，Rf2=1k，如图3所示。

图3 环路补偿电路Fig.3 The loop compensation circuit

在小信号分析时，运算放大器的正极接地。由于运算放大器正负极之间的虚短特性，其负极等效于接地，此时Rf2被短接。该补偿电路传递函数为

据此可以求出R2=22.6k。

补偿电路零点频率设为穿越频率的一半，即

式中fc为穿越频率。

由上式算出C2=4.425nF，取标准值4.7nF。因此补偿后的增益曲线和相位曲线如图4所示。

图4 补偿后的Gvd(s) 增益曲线和相位曲线Fig.4 The gain and phases curves of compensated Gvd(s)

由图可知，补偿后的穿越频率为10.2kHz，相位裕量为60°，此结果达到了设计要求。

3 Saber仿真及结果分析

3.1 Saber仿真

因为Saber无法对目标电路进行闭环仿真，因此，分别对Gvd(s)Fm和K(s)进行开环仿真，并与计算结果进行比较，以此来验证开环传递函数Gvd(s)H(s)的增益和相位曲线是否达到设计要求。采用Saber中的环路扫频仪TDSA向环路注入频率可变的正弦波信号，通过测试反馈信号，从而获得两者之间的增益和相位关系。

为了进行开环仿真，把K(s)和Fm之间的连接断开，即K(s)的输出不再作为Fm的给定，把Gvd(s)Fm当作一个整体来仿真。通过在比较器的正端输入一个固定电压，产生一个固定占空比的PWM驱动信号。由于PWM的载波电压幅值为5V，给定一个2.5V的电压即可获得占空比为50%的驱动信号。Gvd(s)Fm和K(s) 的仿真原理分别如图5和图6所示。

图5 Gvd(s)Fm仿真原理图Fig.5 The schematic diagram of Gvd(s)Fmsimulation

图6 K(s)仿真原理图Fig.6 The schematic diagram of K(s) simulation

3.2 仿真结果及分析

1）通过TDSA扫频仿真，获得Gvd(s)Fm的增益曲线和相位曲线，如图7所示。

由图7可知，穿越频率约为2.65kHz，相位约为134.3°。

为了与仿真结果比较，对Gvd(s)Fm的穿越频率和相位计算如下：

进一步可得相位

将仿真结果与计算结果比较可知，穿越频率和相位都很接近，这说明基于Saber的TDSA扫频仿真方法是有效可行的。

图7 Gvd(s)Fm增益曲线与相位曲线Fig.7 The gain and phase curves of Gvd(s)Fm

2）通过TDSA扫频仿真，获得补偿器K(s)的增益曲线和相位曲线，如图8所示。

图8 K(s)增益曲线与相位曲线Fig.8 The gain and phase curves of K(s)

由图可知，在10kHz频率点处，补偿器K(s)的增益为17.514dB，相位为171.1°。

为了与仿真结果比较，对补偿器K(s)增益和相位计算如下：

由Rf1=3k，R2=22.6k，C2=4.7nF，可得补偿器K(s)的增益为

同样可得到补偿器K(s)的相位

将仿真结果与计算结果比较可知，补偿器K(s)的增益和相位都很接近，这说明基于Saber的TDSA扫频仿真方法是有效可行的。

3）由于Gvd(s)Fm和K(s)的仿真结果分别都与其各自的计算结果相一致，因此，Gvd(s)K(s)Fm整体仿真的结果必然与其计算结果一致。至此，再采用一个动态电阻模拟负载动态变化，以此来检验BUCK拓扑电压源闭环时的负载动态效果，其仿真原理和仿真结果分别如图9和图10所示。

由图10可看出，输出电压从一个稳态工作点过渡到下一个稳态工作点，约需0.4ms；电压过冲幅度约为0.15V，并在轻微的震荡后达到稳态工作点2。从仿真可以看出，动态响应速度很快、过冲小、振荡少，完全满足设计指标要求。

图9 闭环原理图Fig.9 The schematic diagram of the closed-loop

图10 闭环仿真结果Fig.10 The closed-loop simulation result

4 结语

本文针对开关变换器的控制环路设计复杂，不易直观调试等问题，用基于Saber平台的TDSA扫频仪仿真的方法，可以很直观地看出设计参数是否能够达到预期的设计指标。并以CCM模式下的BUCK电压源电路为例，通过精确计算与Saber仿真结果对比，验证了这种方法的正确与有效性。此方法能够简化开关电源控制环路设计，使电源环路设计和调试更简单，能够有效地降低电源研发人员设计电源控制环路的难度，从而缩短产品的研发周期，提高研发效率。

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（责任编辑：邓光辉）

Simulation Research of DC-DC Converter Control Loop Based on Saber

Huang Ying，Li Yong，Jiang Xuexiang
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

With BUCK voltage source in CCM mode as an example, designed the power control loop by using Saber simulation software, and made simulation analysis on the output dynamic characteristics of BUCK voltage source. The simulation results show that the voltage quickly achieves the desired steady state in the range of load changes. It suggests that the design method of power control loop is feasible.

BUCK voltage source；control loop；Saber

TN86

：A

：1673-9833(2014)01-0053-05

2013-10-08

黄 鹰（1986-），男，湖北黄石人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为电力电子技术及系统，

E-mail：kalvenyellow@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.011