BUCK的PSIM仿真----N种玩法

下面就来看一下BUCK的常用电路形式，如下：

   图一：普通BUCK电路

   图二：同步BUCK电路

   图三：交错BUCK电路

以上三种基本形式在实际电路设计时应用较多，除此之外还有一个变种在LED行业应用较多，也是BUCK，只是驱动上不隔离，而负载的输出悬浮。当年毕业设计做的就是这个电路，数控PI的BUCK型恒流LED驱动器。哈哈哈~~~当然，也常用于风扇驱动，电路拓扑形式如下图所示：

图四：不隔离驱动的BUCK电路

 
 
 

     好了，BUCK的四种常见形式就写完了，当然还有很多变种形式，比如软开关等，对于不同的电路应用场景不同，这里不再展开讨论。

下面就来看一下BUCK的闭环控制思想：

先来一张关于通用的控制系统认知，没有反馈量参与闭环控制的系统就是开环的系统，所以后面设计闭环控制环路的第一个要素是要引入反馈环节，在开关电源里常用的反馈量是电压，电流等。

在电源中给定信号与反馈信号耦合（如加，减等）得到偏差量，通常绝大部分系统采用的是负反馈控制，这种控制系统是衰减的，容易稳定，因此，在开关电源中的控制大部分都是负反馈的，事实上开关电源的真正核心就是控制，怎么把控制做好很重要，特别是像LLC这种宽频段工作的拓扑，想让其控制器稳定工作不震荡是存在一定难度的。下面继续说开关电源的控制，常用的反馈放大环节的零极点电路种类较多，这里重点说一下常用的数控算法PID的图解。

可以把PID理解成一个黑盒子，仍进去一个量（数），经过一段时间（积分微分），输出不断作用于控制执行环节，最终达到环路的稳态。

总结一下：反馈量，反馈量与给定信号的耦合得到偏差量，负反馈控制机制，经过算法运算（关于时间的一个公式），作用到电路的开关元件上，最终达到稳态（稳定输出）。

（这种基础知识都是给小白白看的，作者已经很努力的转化成极容易理解的话，虽然个别地方描述不太贴切，不过大体差不多，方便理解为主。）

电源仿真分为数字仿真和模拟仿真，这里的数字只的是如采样电压为数字量而非模拟量，这里的数字又指的是如仿真闭环的部分为数学计算模拟出来的等效模式而非模拟器件搭建的电路反馈控制系统，这里的数字又指输出的方波信号为数字量非模拟量不可直接驱动。

刚好PSIM这么专业的工具，教会我们，仿真在电路上分两部分，一个是功率级电路的搭建，另一部分是控制级策略的搭建，注意是控制级策略，可以是控制电路也可以是数字控制策略，比如可以使用像芯片2844这种直接控制，也可以使用数字模块搭建一个跟电路没有任何关系的等效控制策略（数学中的波形变换而已）。

   好了，下面就来看看PSIM中到底应该如何实现吧。

下面先来介绍常用的PSIM闭环控制的搭建方法，先来看一个模拟的闭环控制搭建方法（关于开环仿真太简单了，这里就不做讨论了）：

通过电阻分压，与基准同时送入误差放大器（放大器类型3）进行闭环运算，然后一个限幅，与固定频率的三角波进行比较实现发波（最常见的发波思路），进而驱动MOS管开通关闭，从而实现BUCK主功率的变换。

再来看一个BUCK的数字闭环控制：

发现不同之处了吧，首先输出电压采样端口是通过一个PSIM的电压采样完成的，然后直接与一个电压值比较，通过PI运算模块再进行限幅，再进行发波，从而控制MOS，实现主拓扑的功率变换。

需要说明一下：PSIM中的控制信号线与功率线的颜色是不一样的，但不是说这两根线完全泾渭分明，一般情况下，把采样隔离开的话，可以做到泾渭分明，但是如果采用第一种模拟的控制方法，采样的电阻是红色的功率线，而控制部分是绿色的，这个时候如果你不理解这个变化，很可能在搭建仿真回路时报错，在MOS或三极管的驱动时PSIM需要加入强制的驱动器（就是上图比二极管少个横杠那个），这样才能运行仿真文件，这也是与其他仿真软件不同之处。

然后继续，上面的应该可以看明白了吧，模拟和数字仿真的单电压闭环就是这样的，单电流也是一样的。下面我们看一下电压环和电流环的双闭环控制环路的搭建，思路也是比较简单的，由于控制量只能作用于一个MOS上，那么你的系统只能输出一个变量信号来进行控制，所以这个时候你就需要把两个环叠加起来，那么叠加的方式是什么呢?  串联或者并联！对于并联容易产生竞争机制，所以多采用串在一起的方式比较容易实现环路的稳定，下面就来看一下电压电流双环串联BUCK的仿真吧：

电压采样经过一个误差放大，然后将这个放大的信号作为电流环的基准，再与采用的电流进行误差放大，这样两个信号就产生了一定的耦合关系，再一起输出一个放大的信号，用来发波，发波的信号是叠加了两个的共同作用，再控制MOS，实现主功率的变换。

后面还有更多环的控制，比如再加入均流环等等，下次有机会我们再来研究均流的机制，对于调占空比的拓扑均流将会变得相对简单一些，而对于调频的电路均流将会变得没那么容易。

对于BUCK的延伸思考，如何实现软开关ZVS呢？如何实现多电平？在未来的宽禁带器件下BUCK提频后的变化？BUCK交错下的均流呢？等等吧。。。。

关于3电平的BUCK，TI工程师在这个视频已经说的很清楚了，优点是MOS的电压应力降低和频率翻倍（纹波电流减小），但是付出的代价是引入了电容和控制的复杂度。各有利弊，拓扑并不是非新奇而使用，非高大上而使用，为了成本，为了高性价比的产品而使用，记住，设计产品时并不能因为你会某个拓扑或者熟悉某个拓扑就放弃其他拓扑，这是非常愚蠢的选择，除非你彻底不会，因为最终可能会因为拓扑的方向失误导致产品缺乏竞争力，从而在大环境中被淘汰，跳出自己的舒适区间，因需求而设计，而非因自己会而设计。至于其他的几个延伸，自己分析吧，没时间写了，作者真的很懒，精力也有限。