單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)及仿真研究
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1引言
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/230889.htm由于開關(guān)電源既節(jié)能又帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，引起社會各界的重視而得到迅速推廣。隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，高頻化、小型化、集成化成為開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢。單端反激式開關(guān)電源不僅具有體積小、效率高、線路簡潔、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且有自動均衡各路輸出負(fù)載的能力，所以常常被用于設(shè)計(jì)大功率高頻開關(guān)電源的輔助電源或功率開關(guān)的驅(qū)動電源[1-2]。PSPICE軟件是EDA領(lǐng)域最負(fù)盛名的公司ORCAD所開發(fā)的通用電路模擬仿真軟件。
與其他的仿真軟件比較，PSPICE具有很多優(yōu)點(diǎn)：增加了模型和元器件的種類，用戶可以直接調(diào)用模型庫中的元器件，也可以根據(jù)實(shí)際的需要修改模型的參數(shù)，或是建立自己的模型；運(yùn)用PSPICE建立的模型比較精確，可以更好的模擬實(shí)際電路；由于利用PSPICE對電路進(jìn)行分析不需要實(shí)際的元器件，因此，在仿真中不會受到元器件的數(shù)量和類型的影響；PSPICE的操作比較簡單，實(shí)用性強(qiáng)，利用它用戶可以對復(fù)雜的電路進(jìn)行仿真，減少電路設(shè)計(jì)的周期和費(fèi)用。PSPICE具有良好的人機(jī)界面和控制方式，通過波形分析窗口，用戶可以方便觀察輸出波形的性質(zhì)，對電路的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。
2單端反激式開關(guān)電源的基本原理
開關(guān)電源是將交流輸入（單相或三相）電壓變成所需的直流電壓的裝置。電路主要由輸入電磁干擾濾波電路、輸入整流濾波電路、功率變換電路、輸出整流濾波電路等組成。開關(guān)電源的基本原理如圖1所示，控制電路是一個由輸出電壓反饋控制環(huán)和電感電流反饋控制環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，電流環(huán)能使輸入電流跟蹤輸入電壓的變化接近正弦，電壓環(huán)使電壓穩(wěn)定的輸出。其基本原理是:交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到直流電壓U1，通過功率開關(guān)管VT或MOSFET斬波、高頻變壓器T降壓之后，輸出所需的高頻矩形波電壓，最后經(jīng)過由VD、C2組成的輸出整流濾波電路，得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓UO輸出。利用電流檢測電阻將開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)化成電壓反饋信號，然后再與電壓控制環(huán)檢測到的電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波，進(jìn)而控制輸出電壓的大小。
圖1單端反激式開關(guān)電源的基本原理圖
3單端反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)
本文對多功能單端反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)，只集中在高頻變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)?？刂品椒ㄓ校悍逯惦娏骺刂颇Ｊ?，它是一種固定時鐘開啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法，它不是用電壓誤差信號直接控制PWM脈寬，而是用峰值電感電流間接控制PWM脈寬；平均電流控制模式，也是一種恒頻控制，它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性好，缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)不合理時會產(chǎn)生振蕩；滯環(huán)電流控制模式，它是一種變頻調(diào)制，其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定性好，抗干擾性好，不易產(chǎn)生振蕩，缺點(diǎn)是對電感電流要進(jìn)行全面的檢測和控制。比較以上三種控制方法，本設(shè)計(jì)采用峰值電流控制模式。多功能開關(guān)電源的性能指標(biāo)為：
輸入直流電壓：170V-700V；
輸入電壓頻率：100kHz；
額定功率：70W；
最大占空比：48%；
操作溫度：-10℃～70℃；
輸出電壓電流：5V/1A，24V/2A，±15V/0.2A，15V×3/0.15A，15V/0.3A；
電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均小于3%，并且具有較高的效率。
3.1.高頻變壓器設(shè)計(jì)
變壓器的設(shè)計(jì)方法有很多種，如文獻(xiàn)[3]中介紹的單向設(shè)計(jì)法和文獻(xiàn)[4]介紹的簡便設(shè)計(jì)方法，對于單端反激式開關(guān)電源中的高頻變壓器可以采用后一種簡便的設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。
圖2單端反激式開關(guān)電源中高頻變壓器簡便設(shè)計(jì)方法的流程圖
按照上面的流程計(jì)算變壓器的參數(shù)。
（1）確定變壓器的輸出功率
在直流輸入170V~700V范圍內(nèi)，輸出1路5V/1A，1路24V/2A，1路15V/0.2A，1路-15V/0.2A，3路15V/0.15A，1路15V/0.3A的電壓?？偟妮敵龉β蔖o=70.25W，所以高頻變壓器的輸出功率取70W。
（2）計(jì)算原邊繞組的峰值電流
式中：Us取最小值，Dmax為反激變壓器的最大占空比，取0.45。計(jì)算得IP=1.83A。
（3）計(jì)算原邊繞組的電感值
原邊繞組的電感值由以下公式表示：
式中：Us(min)為輸入電流的最小值，Dmax為反激變壓器的最大占空比，取0.45，計(jì)算得LP=0.42mH。
（4）計(jì)算Dmin
當(dāng)Us(max)時有最小的占空比Dmin。所以當(dāng)輸入電壓從最大值變化到最小值時，占空比從最小值變化到最大值。它們之間的關(guān)系可以表示如下：
式中：
為電壓的波動范圍系數(shù)。帶入各數(shù)值計(jì)算得到Dmin=0.166。
（5）磁芯規(guī)格的選擇
假設(shè)原邊繞組線徑為dw，則原邊繞組所占磁芯窗口的面積可由下面公式計(jì)算：
式中：△B——工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化值，一般取飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半，即
；dw——導(dǎo)線的直徑。計(jì)算得APP=0.246cm4，取AP=4APP=4×0.246=0.984(cm4)。
（6）計(jì)算氣隙的長度
式中：Ae為磁芯的有效面積，代入數(shù)值計(jì)算得到lg=0.06cm。即在磁芯中心柱打磨出長度為0.06cm的氣隙，或在磁芯外側(cè)磁芯柱各打磨0.03cm的氣隙。
（7）計(jì)算原邊繞組的匝數(shù)
原邊繞組匝數(shù)的計(jì)算有兩個計(jì)算公式：式（6）、式（7），通常取原邊繞組的匝數(shù)為兩個計(jì)算公式分別計(jì)算的原邊繞組匝數(shù)的平均值。
計(jì)算出原邊繞組的匝數(shù)為52匝。
（8）計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)
副邊繞組匝數(shù)按輸入最小電壓，導(dǎo)通的占空比最大進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)?/p>
式中：Ns——副邊繞組的匝數(shù)；UD——整流二極管的正向壓降，取1V；Uo——副邊繞組的輸出電壓。
整理公式（8）可以得到：
經(jīng)計(jì)算得：
輸出電壓為24V時，
匝，取Ns=10匝；
輸出電壓為15V時，
匝，取Ns=6匝；
輸出電壓為5V時，
匝，取Ns=3匝。
3.2電壓反饋環(huán)的設(shè)計(jì)
電壓反饋電路有四種基本的類型：基本反饋電路；改進(jìn)型基本反饋電路；配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；配TL431的精密光耦反饋電路。四種基本反饋電路的分析比較如表1所示。
表1各種電壓反饋電路的比較
在本設(shè)計(jì)中，由于對電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求較高，故采用配TL431的精密光耦反饋電路。配TL431的精密光耦反饋電路如圖3所示。在配TL431的精密光耦反饋電路中，用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替穩(wěn)壓管，從而構(gòu)成外部誤差放大器，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。雖然該電路的電路比較復(fù)雜，但是該電路的穩(wěn)壓性能最佳。對于有多路輸出的單片開關(guān)電源，除了把主輸出作為主要的反饋信號外，其他各路輔助輸出也按照一定的比例反饋到TL431的2.5V基準(zhǔn)端，這對于提高多路輸出式開關(guān)電源的整體穩(wěn)定性具有重大的意義。
圖3配TL431的精密光耦的電壓反饋電路
3.3電流反饋環(huán)的設(shè)計(jì)
電流環(huán)通過用電流檢測電阻將開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)化成電壓反饋信號，然后在與電壓控制環(huán)檢測到的電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波，控制輸出的電壓。對輸入電壓的變化和負(fù)載變化響應(yīng)快，回路穩(wěn)定性好，抗干擾性能強(qiáng)，電壓調(diào)整率小等優(yōu)點(diǎn)[5]。
圖4電流反饋電路
4.仿真實(shí)驗(yàn)測試
在以上的分析研究的基礎(chǔ)上，建立了仿真模型，運(yùn)用ORCAD/PSPICE對該開關(guān)電源的整體電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，修正了電路中各種元器件的關(guān)鍵參數(shù)，使得電路的性能能夠發(fā)揮到最佳。
為了優(yōu)化多功能開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，減少開發(fā)過程的盲目性、復(fù)雜性，縮短開發(fā)周期，極低成本，本文對多功能開關(guān)電源的整體電路進(jìn)行了仿真。運(yùn)用ORCAD/PSPICE建立了多功能開關(guān)電源整體系統(tǒng)的仿真模型，然后對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析，尋求滿足設(shè)計(jì)性能要求的元件參數(shù)[6-7]。整體電路的測試圖如圖5所示。
圖5整體電路的測試圖
在仿真的過程中往往會遇到收斂性的問題。收斂的問題以各種形式、規(guī)模以及假象出現(xiàn)，通常都與電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件的建模、仿真器的設(shè)置等因素有關(guān)。快速解決收斂性問題的辦法是：設(shè)置OPTION設(shè)置里的一些選項(xiàng)。
ABSTOL=0.01μ(Default=1p)
VNTOL=10μ(Default=1μ)
GMIN=0.1n(Default=1p)
RELTOL=0.05(Default=0.001)
ITL4=500(Default=10)
這些設(shè)置可以解決大多收斂性問題，當(dāng)然如果電路中的錯誤，它是解決不了的。如果模型不夠精確，上面的設(shè)置需要實(shí)時調(diào)整才能得到想要的結(jié)果。
多功能開關(guān)電源中，5V輸出電路的輸出波形如圖6所示。由圖可以看出，本文所設(shè)計(jì)的5V電源滿足電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求。
圖65V電源的測試波形圖
15V輸出電路的輸出波形如圖7所示。由圖可以看出，本文所設(shè)計(jì)的15V電源滿足電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求。
圖715V電源的測試波形圖
24V輸出電路的輸出波形如圖8所示。由圖可以看出，本文所設(shè)計(jì)的24V電源滿足電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求。
圖824V電源的測試波形圖
5.結(jié)論
在運(yùn)用ORCAD/PSPICE對開關(guān)電源的整體電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多功能開關(guān)電源各路輸出的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和開關(guān)電源的總功率均達(dá)到了預(yù)期的要求。在負(fù)載大范圍變化的情況下，具有輸出穩(wěn)定、電壓紋波小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等特點(diǎn)。
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