毕业设计（论文）-开关电源输出滤波电路的设计与仿真.doc

毕 业 设 计（论 文）题目：开关电源输出滤波电路的设计与仿真（英文）： The Design and Simulation of Switching Power Supply Output Filter Circuit院 别： 电子与信息学院 专 业： 应用电子技术教育（师范） 姓 名： 学 号： 指导教师： 王 日 期： 2012年5月 开关电源输出滤波电路的设计与仿真摘要市电经过开关电源的变换后，得到的电压或电流并不是纯直流电，总会带有一定的纹波，这是因为开关电源中的电力电子器件（场效应管、IGBT管）工作在开关状态，为了达到安规标准，并降低纹波，在开关电源的输出端需要并接一个滤波电路。开关电源中常用的是L、C滤波电路，根据不同的变换器进行不同的组合和搭建。研究以单端正激式开关电源为例，设计一个开关电源输出滤波电路，采用Saber仿真，通过改变电感和电容的值，把输出电压的纹波降到最小，使得输出电压更加接近纯直流电，最终确定了输出纹波最小时的电感和电容的最佳值。关键词：开关电源；滤波电路；Saber仿真The Design and Simulation of Switching Power Supply Output Filter Circuit ABSTRACTAfter the utility of switch power supply after transformation, Get voltage or current and not pure direct current, Always with a ripple, This is because the switch power supply power electronics device (mosfet IGBT tube) work in the switch state, In order to achieve safety standards，In the switch power supply output terminal needs and meet a filter circuit，Switching power supply of commonly used is L C filter circuit，According to different converter for different combinations and structures，Research on single straight shock type switch power supply, for example，The design of a switching power supply output filter circuit，Using Saber simulation，Through the change of capacitance and inductance value，The output voltage ripple to least，Makes the output voltage closer to the pure direct current，Final output ripple the hours of inductance and capacitance of the best value.Key words： switch power ；filter；saber simulation目录1概述11.1课题研究背景及目的11.2国内外研究状况11.3本设计研究的内容及方法12开关电源的原理及输出滤波电路32.1脉宽调制控制器的基本原理32.2单片开关电源的构成与基本原理52.3开关电源输出滤波电路72.4开关方式输出滤波器的寄生效应72.5二级滤波器82.6高频扼流圈实例92.7谐振滤波器112.9共模噪声滤波器132.10输出滤波器的滤波元件选择原则133滤波器元器件的设计、选取与计算153.1滤波器基本要求153.2选择L1的方法153.3正激变换器与反激变换器电感的区别153.4输出电感L设计实例153.5输出电容的计算164滤波器的仿真软件简介194.1Saber软件概要194.2Saber发展历程194.3Saber的优势194.4Saber的特点204.5 Saber的应用225仿真输出滤波电路及滤波效果分析235.1设计参数及纹波要求235.2开环设计（功率电路设计）235.3设计输出滤波器245.4使用Saber软件仿真验证设计265.5仿真结果分析275.6总结30参考文献31致 谢32附 录A33开关电源常用英文标志与缩写33 1 开关电源输出滤波电路的设计与仿真1概述1.1课题研究背景及目的开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制 冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。正由于应用领域广泛，所以该行业得到飞快的发展，但也面临着技术的挑战和局限。由于电力电子器件处于开关交换状态，那么无论如何最终我们得到的就不是理想的直流电，肯定会存在纹波。本课题研究的是开关电源的输出滤波器的设计方法，讨论的是用什么方法可以把纹波下降到降最低限度，当然只能说是低限度，只能无限的接近纯直流电。图1.1工业电源1.2国内外研究状况滤波器应用在很多电子线路当中，不但运用在开关电源中，在通信电子线路当中应用相当广泛，具体电子产品，例如：手机、收音机、对讲机、电视机等等.当今研究滤波器的理论已比较深入，已形成一个工程学科，在工程运用当中已可以生产出功能完善，性能好的滤波器。1.3本设计研究的内容及方法通过了解开关电源的基本原理，在此基础之上讨论了关于开关电源输出滤波器的设计方法。从不同的角度剖析输出滤波器的工作原理、设计方法，通过反复调试以及软件仿真，进行最优化设计。设计过程使用了较多的计算公式以及仿真结果图片，站在工程应用角度出发，设计出实际应用方便，滤波效果良好的开关电源输出滤波电路。开关点源中的滤波器虽然是由电感、电容组成，有些也会加一个电阻，由于应用场合不同、功率不同，各国安规标准不同，滤波器一般不可以模块化、集成化，在市场上一般买不到达到设计者要求的滤波器，因此应用于每个电子线路中都要工程人员自行设计。使用Saber软件对要设计的滤波电路进行设计和仿真，对仿真的结果与计算理论值相比较，看是否符合理论值，倘若与计算结果有较大偏差，对电路的参数进行修正，作为电路设计的最终设计结果。 2开关电源的原理及输出滤波电路介绍本章的主要目的：首先明白开关电源的工作原理，在明白原理之后，清楚知道我们所设计的滤波器是用于开关电源这一应用场合，有针对性的对滤波器进行设计与仿真。首先理解开关电源纹波产生的原因，才可以设计出令人满意的滤波器。在开关电源中噪声大致可以分为：输入端的共模、差模噪声，传递噪声，开关噪声（开关管的开关噪声、输出肖特基二极管的开关噪声）等等，那么设计滤波器的作用是使开关电源可以可靠、安全为最终目的。2.1脉宽调制控制器的基本原理开关电源的电路比较复杂，其基本构成如图2.1所示。主要由以下5部分构成：（1）输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路；（2）功率开关管（VT）及高频变压器（T）；（3）控制电路（PWM控制器），含振荡器、基准电压源（UREF）、误差放大器和PWM比较器，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；（4）输出整流滤波电路；（5）反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM控制器为开关电源的核心。脉宽调制式开关电源的工作原理如图2.2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路，变成直流电压U I，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后获得所需的直流输出电压Uo。PWM控制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的锯齿波发生器用于提供时钟信号。利用取样电阻、误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压Uo经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压Uref进行比较，得到误差电压Ur,再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使Uo保持不变。Uj为锯齿波发生器的输出信号。需要指出，取样电压通常是接误差放大器的反相输入端，但也有的接同相输入端，这与误差放大器另一端所输入端所输入的锯齿波电压极性有关。一般情况下当输入的锯齿波电压为正极性时，取样电压接反相输入端；输入的锯齿波电压为负极性时，取样电压接同相输入端（下同）。图2.1开关电源基本工作原理图2.2脉宽调制式开关电源的工作原理令直流输入电压为UI，开关式稳压器的效率为，占空比为D，则功率开关管的脉冲幅度Up = UI ，可得到公式：Uo = D UI （2-1）这表明，当、UI一定时，只要改变占空比，即可自动调节Uo值。当Uo由于某种原因而升高时，Ur - DUo。反之，若Uo降低，则UrDUo。这就是自动稳压的原理。自动稳压过程的波形如图2.3(a)、(b)所示。图中，UJ表示锯齿波发生器的输出电压，Ur是误差电压，UPWM代表PWM比较器的输出电压。由图可见，当Uo降低时UrDUo，反之，若Uo因某种原因升高，则Ur - DUo。 (a) (b)图2.3自动稳压过程的波形图2.2单片开关电源的构成与基本原理单片开关电源的构成如图2.4所示，该图也单片开关电源印制电路板的典型布局示意图图2.4单片开关电源的构成单片开关电源的基本原理如图2.5所示。主要由以下7部分组成：（1）输入整流滤波器，包括整流桥BR和输入滤波电容器C1（2）单片开关电源（TOPSwitch系列产品），内含功率开关管（MOSFET）和控制器（内含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器），MOSFET的漏极、源极和控制端分别为D、S和C（3）漏极箝位保护电路（VDZ1、VD1）（4）高频变压器（T）（5）输出整流滤波器（VD2、C2）（6）光耦反馈电路（稳压管VDZ2、电阻R、光耦合器）（7）偏置电路（VD3、C3），给光耦合器的光敏三极管提供偏压 图2.5单片开关电源的基本原理85265V交流电经过输入整流滤波后获得直流高压，接至高频变压器一次绕组的一端，一次绕组的另一端接MOSFET的漏极D。漏极箝位保护电路由瞬态电压抑制器VDz1(TVS)、阻塞二极管VD1组成，当MOSFET关断时可将高频变压器漏感产生的尖峰电压限制在安全范围以内，对MOSFET的漏极起到保护作用。二次绕组的输出电压经过VD2整流，再经过C2滤波后获得直流输出电压电压Uo。为满足高频整流的需要，VD2应使用超快恢复二极管或肖特基二极管。该电源采用配稳压管的光耦反馈电路。由VDz2提供参考电压Uz2，当输出电压Uo发生波动时，在光耦合器内部的LED上可获得误差电压。因此，该电路相当于给TOPSwitch-增加了一个外部放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对Uo进行精细地调整。电阻R用于设定控制环路的增益。设光耦LED的正向压降为UF，R两端的压降为Ur，输出电压由下式确定： Uo = Uz2 + UF + UR （2-2）现将其稳压原理分析如下：当由于某种原因致使Uo，UoUz2 + UF + UR时，产生的。误差电压Ur= Uo -（Uz + UF + UR）就令LED上的电流IF，经过光耦合器使接收管的发射极电流IE，进而使TOPSwitch-的控制端电流IC，占空比D，导致U0，从而实现了稳压的目的。反之，UoIFIEICDUo，同样能起到稳压作用。 2.3开关电源输出滤波电路以上讨论了开关电源的概况及其工作原理、噪声产生机理，下面介绍输出滤波器的设计。为了提供稳定的直流输出，同时也为了减少电路中的纹波和噪声，在开关电源的输出端通常增加如图2.6所示的LC低通滤波器。在正激变换器中，这些滤波器实现两个主要功能：第一个功能就是能够进行能量的存储，以保证开关电源在整个开关周期内维持近似稳定的直流电压输出；第二个功能可能不明显，该功能就是把高频谐波和共模输出干扰减少到一个可以接受的范围内。但现实这两个功能却是不兼容的。为了保持几乎不变的直流电压输出，那么输出电容流过的电流必须也是几乎不变的，因此，就输出电感元件来说要求有较大的电感。输出电感也必须可以通过直流电流，该电感常常是较大的，可以有较多匝数。较多的匝数带来较大的匝间电容，具有较低的自谐振频率，此种电感元件在高于其自谐振频率下具有较低阻抗，它不能把串扰电流的高频分量有效的衰减。进一步来说，主要根据能量存储能力、纹波额定值而不是高频阻抗来选择滤波电容的。大容量的电解电容的等效串联电阻和等效串联电感可以是很大的。除非使用更贵的低等效串联电阻电容器，否则输出电容的高频噪声衰减可能很差。上述的寄生参数是不需要的，这些寄生的等效串联电阻和等效串联电感以及匝间电容效应值需要进一步的研究。2.4开关方式输出滤波器的寄生效应在图2.6 (a)显示的是一级LC输出滤波器，像这样的滤波器一般可以在典型的正激变换器中找到，其中包括寄生元件Cc、Rs、等效串联电感及等效串联电阻。串联的电感支路L1中给出一个纯电感L和一个不可缺少的绕组电阻RS相串联，寄生的分布匝间电容作为一个整体等效电容Cc包含在其中。旁路电容C1还包括一个等效串联电感和一个等效串联电阻。在图2.6 (b)中显示的是该滤波网络的低频及中频等效电路。Cc、等效串联电感及等效串联电阻在低频时的值非常小，其影响可以忽略不计。从这个等效电路图可以清楚看到，此滤波器用作低通滤波器是有效的，适用于频率范围的中低频率段。在图2.6 (c)中显示的是第二个高频等效电路。在高频端，纯电感变为高阻抗，可去掉LRS支路，而纯电容C趋向变为零阻抗，故也可去掉C。此时，电路中的寄生元件起主导地位。这种类型的功率输出滤波器就不能有效地衰减高频传导方式的噪音。图2.6滤波器的寄生等效电路2.5二级滤波器如上述那样，用一级LC滤波器要想完全达到平滑电压和去除噪声的要求，特别是反激式变换器设计中，就必须选用昂贵的元器件。尽管如此，也只能获得很一般的高频特性。在图2.7所示一个性价比更好的带宽滤波电路，它是一个体积更小的二级LC滤波器，用来衰减高频噪声。所需第二级滤波器的电感和电容都很小，L2和C2可以选择体积较小且较便宜的元件。另外，在第一级滤波器中L1和C1可以使用成本更低的电解电容和电感器，既降低了电路成本又提高和改善了电路的性能。 图2.7二级滤波器在图2.7中电容C1用于消除纹波电流和储能的作用，它与负载电流和工作频率有关。一般C1取的值是非常大的，但二级滤波器中使用的C1不要求具有低等效串联电阻型的电容。第一个电感用于通过最大的负载电流，具有最小损耗，工作在不饱和状态下。为使L1用最小的尺寸获得最大电感值和最小的电阻值，L1应采用多圈和多层的线圈结构。尽管这种线圈结构能够带来大的电感值，但是它也引起了相当大的匝间电容和低自激谐振频率。一般而言，L1合适的磁芯材料包括有气隙铁氧体、坡莫合金、铁粉磁环及形状为 “E-I”的硅钢片。L1的电感值要满足储能要求。要求第二个电感L2哎高频下有最大的阻抗和很小的匝间电容，具有高自激谐振频率。L2可以做成小的铁氧体磁棒、铁氧体缠线管、小的铁粉磁环甚至空心线圈的形式。L2上的交流电压值很小，为500mv数量级，一个不完全磁路的辐射是相当小的，也不会引起电磁干扰问题。铁氧体的电感可用普通铁氧体材料组成，因为大气隙可以防止磁芯的直流饱和。第二个电容C2的电容量要比C1小得多，C2要求在开关和噪声频率时是低阻抗的，它不是用做储能的。在许多应用场合，C2是由一个小电解电容和低感抗箔片电容和一个陶瓷电容并联组成。L1和L2是要流过大直流电流的元件，在这里更适合称他们为扼流圈，具体实例如下所示：2.6高频扼流圈实例为了使高频扼流电感L2有最好的性能，L2的匝间电容应该尽可能减小。图2.8显示了一个1 in长的铁氧体磁棒扼流圈，其直径为5/16 in，线圈用17号类制电线标准（17AGW）线紧靠在一起绕15匝。图2.9显示了扼流圈电感的相移和阻抗随频率变化的关系。在4.5MHzd的自激谐振频率上，它的相移为零。图2.8高频扼流圈图2.9扼流圈相频特性图2.10扼流圈相频特性图2.8是铁氧体磁棒扼流圈；图2.9是紧绕的铁氧体磁棒扼流圈的阻抗、相移与频率的函数关系，注意自谐振频率为6MHz在图2.10中的阻抗曲线显示减少匝间电容后的改进情况。为减少匝间电容，在获得相同扼流圈电感条件下改变扼流圈的饶法，使线圈匝间间隙隔开绕在用10毫英寸聚酯绝缘的磁棒上。图中显示了此扼流圈的特性曲线。在第二个例子中使用了15匝20号AGW线，在每匝线之间都有一个空隙。从这个曲线可以看出，匝间电容的减少却导致了阻抗的增加，并使自激谐振频率上移到6.5MHz。采用此种滤波器，这将有效减少高频噪声。有一小部分高频干扰将经过PCB（印制电路板）或电源引线寄生电感、耦合电容绕过滤波器，可选择较小的电容C2并尽可能地把它装在电源输出端来减少这种影响。2.7谐振滤波器通过选择合适的电容器使得其自谐振频率接近开关管的开关频率，使可得到最好的性能。许多小型、低等效串联电阻的电解电容具有接近开关变换器典型工作频率的串联自谐振频率。在这个自谐振频率上，电容寄生的内部电感将与其有效的电容谐振而形成一个串联谐振电路。这时，电容的阻抗就趋于它的等效串联电阻。在图2.11中显示470uF、低等效串联电阻电容器的典型阻抗与频率的关系曲线。这个电容在30KHz时具有19m的最小阻抗，利用在30KHz时的自谐振效应可得到很好的纹波抑制效果。 图2.11谐振滤波器相频特性图2.11典型商业级470uF电解电容的阻抗、相移与频率的关系曲线，注意在29KHz时的自谐振频率与最小阻抗2.8谐振滤波器实例图2.12用在反激式变换器副边的谐振输出滤波器实例图2.12是一个其参数为30KHz、5V和10A的反激式变换器的典型输出级，具有两级LC输出滤波器。在反激式变换器中，变压器的电感与C1组成了第一级LC电源滤波器，第二级滤波器是由L2和C2组成。在该例中，当L2使用了前面所述的1 in长、直径为5/16 in的铁氧体磁棒电感器时，能获得图2.10的图。在此磁棒上绕15匝线圈，其匝间间隙隔开绕，可得到10uH的电感和低的匝间电容。C2采用470uF低等效串联电阻电容器，其阻抗曲线见图2.11。注意：在30KHz时此电容器的阻抗最小，这时相移为零。对于该电容来说，这就是串联的自谐振频率，见图2.11，电阻的阻抗串联形成一个简单的分压电路。因XL2C2的等效串联电阻，可以忽略这小相移。输出纹波电压V与第一级电容C1上的纹波电压值V1的比值为： （2-3）因为XL2ESR，所以衰减率Ar近似为： （2-4）式中，XL=电感的阻抗，2fL；ESR=谐振时电容器的等效串联电阻。在频率为30KHz时，XL将是：XL=2fL=23010 31010 -6结果大约为1.9欧图2.11中，在频率30KHz时，C2的等效串联电阻是0.019欧，因此衰减率将为： 在开关频率上，给纹波电压带来一个100:1的衰减。在反激式变换器中的纹波干扰主要是由开关频率纹波造成的。利用体积小、造价低的电解电容的自谐振频率特性会带来40dB的良好纹波衰减。在不考虑中频瞬态反应的情况下，能获得提高了的高频噪声抑制效果，而串联电感值却没有明显增加。2.9共模噪声滤波器到目前为止，所有的讨论都限制在差模传导噪声范围内，以前描述的滤波器对于共模噪声是无效的，不能有效的抑制出现在输出端与接地公共端的噪声。在电源中，共模噪声分量是由电源电路与接地平面之间的耦合电容和耦合电感引起的。一开始，在设计阶段就必须通过正确的屏蔽以及良好的电路布局来把共模噪声减少到最小值。另外，通过把L1或者L2分为两个部分来产生一个平衡的滤波器，可以进一步减少共模输出噪声，见图2.13。还在每一个输出线与地平面之间都附加了电容C3和C4，用来给剩余的共模噪声电流提供返回通路。实际上，L1（a）与C3在正输出端形成一个低通滤波器，而L1（b）与C4在负载输出端形成一个低通滤波器，滤波器都依靠地平面作为返回通路。 图2.13共模噪声滤波器大的电容C2可提供去耦作用，所以在图3.8中C3或者C4的位置加一个共模去耦电容就能达到可以接受去耦的效果。2.10输出滤波器的滤波元件选择原则图2.14 L、C滤波等效电路在图2.14L、C滤波等效电路中，主电路的输出电感L1与存储电容C1的大小与数值取决于以下几个因素： 变换器的类型，工作频率，最大负载电流，最小负载电流，工作周期的占空比，纹波电流，纹波电压，瞬态响应，输出电压。一般来说，应该考虑根据该变换器的类型来对L1进行选择 3滤波器元器件的设计、选取与计算3.1滤波器基本要求图3.1 L、C滤波电路等效模型一般说来，因为正激式变换器与Buck变换器计算公式一致，正激式变换器也是由Buck演变而来，所以正激式变换器与Buck有相同的特点。buck变换器的主电路输出滤波器电路输出端的电感L1尽可能小，以获得最好的瞬态响应及最低的成本。如使用了大电感，那么电源就不能迅速响应负载电流的变化。反之，如果用太小的电感，那么将在输出部件和变换器中产生很大的纹波电流，这将降低电路的效率，甚至在轻载时会出现不连续的工作状态。3.2选择L1的方法在最小负载电流时（即经常定义为Imax的10%电流时），该电感能够连续导通。保持电感连续导通有两个好处：第一，当负载变化时，只要求控制电路的控制脉冲宽度做出很小的变化便能控制输出电压，使得电感在整个工作周期内保持导通状态；第二，在负载的变化范围内，纹波电压将保持为一个较低的值。但是这种方法的主要缺点是电感值可能非常大，如果必须要控制负载电流下降到零值，这种方法不能使用。使纹波电流有一个可以接受峰峰值的限制，例如，在输入电压的标称值下，要求纹波电流峰峰值限制在最大负载电流的10%-30%之间。3.3正激变换器与反激变换器电感的区别在反激式变换器中，主电路的电感L1和变压器是一体的，它的值根据功率转换要求来确定。在这种变换器中，滤波元件特别是整个能量转换系统必须能够承受大纹波电流。3.4输出电感L设计实例 假设主电路输出电感L1的设计要求是用于单端正激变换器和滤波器的见图3.1变换器的要求如下： 输出功率 = 100W输出电压 = 5V输出电流 = 20A工作频率 = 30KHZ最小负载 = 20%这种设计方法可假设输出纹波电流必须不超过I(load)的30%（在这个例子中I(load)的峰峰值为6A）。考虑到容许控制范围内，在标称输入下脉冲宽度应取总周期的30%，即为10uS。在脉宽为周期的30%的条件下，系统为了能够提供5V输出，变压器副边电压将为： （3-1） 式中，Tp = 30KHZ的总周期时间，uS；Ton = 导通时间，uSVs = 副边电压。在前向导通期间内，电感L1上的电压为副边电压减去输出电压。在这里假设输出电容C1较大，而在导通期间其电压变化是可以忽略不计的，那么： VL = Vs Vout = 16.66 5 = 11.66 V稳态情况下，导通时间的电流变化必须等于关断时间的电流变化，在该例中为6A，忽略二阶量的影响，电感值可以根据下式来算： （3-2） 式中，L = 要求的电感，uH； t = 导通时间，uS I = 导通时间内电流的变化；VL = 电感上的电压因此： 注意：假设电感上的电压在导通期间不变，而且di/dt也是不变的，可以用一个简单的线性方程式计算。 在这个例子中，为了使得导通期间能够存储足够的能量来维持关断期间的输出电流，应该选择大的电感。在推挽正激式变换器中，关断时间要小得多，所以副边电压和电感值也较小。3.5输出电容的计算一般假设输出电容的大小只受纹波电流和纹波电压技术要求的限制。但是如果使用第二级滤波器L2和C2，那么在C1两端就允许存在一个很大的纹波电压，而不用折中考虑输出纹波的技术要求。如果只对纹波电压有要求，只需采用一个更小的电容。例如，假设在C1两端的纹波电压允许达到500mA。在导通期间L1上的电流变化主要流入到C1，容许500mA电压变化所需要的电容值的计算如下式，下面的等式假设使用的是等效串联电阻为零的理想电容。 C = ITon / Vo （3-3）式中，C = 输出电容值，uF I = 导通期间电流的变化，A；Ton = 导通时间，uS； Vo = 纹波电压，Vp-p (峰峰值)；因此， C = 610/0.5 = 120 uF因此，只需满足纹波电压要求，用一个很小的120uF电容便可解决问题。无论如何，在应用中负载电流能够在一个瞬变负载变化的大范围内快速变化，根据副边瞬变负载变化准则可以确定最小输出电容的大小。现在讨论在负载达到最大后负载突然降到零的情况。这时即使控制电路能够快速反应，但存储在串联电感中的能量1/2LI*2必须传送到输出电容，增加它的端电压。在上面的例子中，对于一个其输出电容只有120uF、串联电感为19.4uH和满载电流为20A的变换器，移去其负载时的电压过冲几乎为100%，这时不允许出现的。因此负载移去时最大允许的电压过冲也就变成了一个控制因素。 最小输出电容值应该满足电压过冲的要求，利用能量转换则可如下式计算。 满负载突然撒掉时存储在输出电感中的能量为： （3-4）在发生这种事件后，存储在输出电容中的能量变化将是： （3-5）式中，Vp = 最大输出电压 = 6V Vo = 正常输出电压 = 5V因此， （3-6）重新整理可求得C是： （3-7）如果该例中的最大输出电压不超过6V，那么输出电容的最小值将是： 再者，为了满足纹波电流技术指标需要使用一个大电容。实际取电容值时要考虑增大大约20%的典型值，这主要考虑到电容受到等效串联电阻和等效串联电感、电容大小、形状、纹波电流的频率。总的来说，通过附加一些相对较小的附加LC输出滤波网络便可以得到一个非常有效的差模和共模纹波传导的抑制。在电路设计中做出这些简单改变，使用成本中等电解电容和传统电感设计，就可以得到好的纹波和噪声抑制效果。4滤波器的仿真软件简介以上对开关电源输出滤波器的种类和原理性分析、元件参数的设计及计算，下面是对以上所设计的滤波器进行计算机软件仿真与分析。仿真软件saber的介绍： 目录：1、Saber软件概要2、Saber发展历程3、Saber的优势4、Saber的特点5、Saber的应用4.1Saber软件概要Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。4.2Saber发展历程 1986年Analogy公司开发并推出Saber仿真软件 2000年2月Avanti！公司收购Analogy，Saber成为Avanti！公司产品。 2002年6月Avanti！公司被Synopsys并购，Saber软件再次易主，成为Synopsys公司产品。 2004年10月Synopsys在中国举办“Saber产品巡回展,并由北京才略科技有限公司作为总代理，开始了Saber仿真软件在中国的全面推广。 4.3Saber的优势（1）支持自顶向下的系统设计和由底向上的具体设计验证，可以分析从SOC到大型系统之间的设计；在概念设计阶段支持模块化的方框图设计，详细设计阶段可用具体元器件组成实际系统； （2）提供了一个功能强大的混合信号仿真器，支持包括模拟电路、数字电路及混合电路，混合技术系统设计； （3）通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果； （4）Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采用下一种算法，在仿真精度和仿真时间上进行平衡，保证在最少的时间内获得最高的仿真精度； （5）通过直观的图形化用户界面全面控制仿真过程； （6）可以在各种流行的EDA设计环境中运行，采用通用的建模语言，实现信息共享，提供对标准库的支持； （7）可以通过对稳态、时域、频域、统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能； （8）可以仿真一个实际系统， SABER的仿真原理图里有相应主电路和控制模块。实际电路需要程序控制，SABER中可以将实际系统的控制算法通过MAST语言编程完全实现； 4.4Saber的特点（1）集成度高： 从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切换工作环境（2）完整的图形查看功能：Saber提供了SaberScope和DesignProbe来查看仿真结果，而SaberScope功能更加强大。 （3）各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等。（4）模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计，并可对子电路和整体电路仿真模拟。（5）模拟行为模型： 对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及各部件参数漂移等，进行仿真模拟。（6） 强大的收敛性分析： Saber非常仔细地选择了算法，使遇见收敛性问题的可能性降到最小，这是其它仿真器经常遇到而无法解决的问题。Saber顺序的使用了5种强大的算法来解决收敛性问题，在系统评估时，Saber对精确系统方程提出一种分段式线性评估。这样，即使非常困难的仿真问题，如尖锐信号的瞬态分析，都可以被很好地控制。 （7）仿真精度： 在做仿真时，你需要确信仿真结果能精确反映你的物理系统的操作。根据Avant!丰富的设计和仿真经验，Saber默认的精度控制可以在能够接受的仿真时间内提供高精度的仿真结果。 （8） 模型与仿真器分离： Saber仿真器同仿真模型完全分离，它允许你完整地存取和控制模型。你可以查看一个模板的内容，修改它，并可以做成另外一个模板。创建你自己的模型并添加到库中去，或者创建你自己的库。你既可以使用Avant!的专用语言(MAST)创建模型，也可以用C、C+和FORTRAN来写模型或子电路。另外Avant!本身提供各种类型的库，其中包含着数以万计的库模型，有工业标准Star-Hspice模拟仿真器的高精度Si模型，还有强电设备使用的IGBT模型及通信系统用的S及Z域模型，等等。 （9） 支持全线的分析功能： Saber支持所有标准模拟仿真分析，包括直流工作点分析、瞬态分析、交流噪声分析、失真分析、傅立叶分析。更为详细的是，Saber及Inspecs可以支持MonteCarlo分析、应力分析、灵敏度分析及参数扫描分析。所有的分析都可以在任意混合系统中使用。 （10）输出结果的查看： 产生仿真数据仅仅是一个成功的系统分析的一个方面。在Saber设计环境中，你可以用功能强大且简单易用的SaberScope图形化波形分析器来查看并分析结果。 Saber可以创建一个默认的结果文件，如果你愿意，你可以自行定义要抽取的仿真数据。然后你能使用SaberScope，在一个系统或模型的层次内部查看信号和参数，或者只是简单看一下主要的波形。如果你需要看新的信号，你可以直接提取它们的数据而不需要重新仿真。Saber的这一独一无二的特性可以节省你宝贵的时间，并非常容易地提取重要数据。 （11）利用Calaveras算法实现快速仿真： Saber协同仿真技术使用Calaveras模拟/数字专利算法，它允许数字仿真器 (Verilog-XL, ModelSim)及Saber利用最佳的时间步长来仿真。它使得在数字仿真器和模拟仿真器之间的数据交换只有在需要的时候才进行，这样可以极大的提高仿真速度。而相应的其它仿真理论则要求在每一个时间步长都交换信息，并通过回溯来重新评估先前的计算。这些都极大的影响了仿真速度，特别是调用多极反馈循环时。 （12）查看相互关联的结果： 图形化显示及分析工具SaberScope，可以将仿真数据提取成有用的仿真结果。 SaberScope提供了一种灵活的按时间对齐的显示方法，可以将Saber的模拟/数字信号同VHDL，Verilog信号联合显示。同时SaberScope还提供一种全面的波形测量及图形标注能力。另外，它提供一个获有专利的波形计算器，给予设计者一种有力的手段来操作数据和波形。利用这个 计算器可以计算出诸如平均功率损耗等数据，并将结果标注出来。当器件参数改变时，它还可以产生电路的灵敏度曲线。 利用了Saber不寻常的数据结构，设计者可以操作电路的所有信号，包括HDL模内部的变量。 Saber/ModelSim 的多种语言及多平台支持:? Saber/ModelSim 的协同仿真支持Model Technology 公司的ModelSim Plus仿真器。这表示你可以在一个设计中仿真Verilog、VHDL数字器件，并且与MAST混合信号器件及SPICE 器件一样方便。 Saber/ModelSim 除了支持标准UNIX平台以外，还支持PC NT平台，这是非常有价值的。 4.5 Saber的应用Saber是混合信号、混合技术设计与验证工具，在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用。Saber软件在技术、理论及新产品开发方面保持明显优势，其大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统解决方案，在并在技术方面不断地完善创新。 Saber包括Sketch、Harness、Model Libraries、 InSpecs、 CosmoScope五套工具，用来完成多层次设计（考虑电缆性能/不考虑电缆性能）、数据库、可执行参数设计与仿真精度保障、仿真测试与波形显示等功能。设计者可以用Measured Data、Datasheets或是Saber Plot Files输入参数来设计约束条件，简单地实现建模。Saber的建模工具运用广泛，有可用于电源、机电、磁、热、负载等各种建模工具。Saber的典型案例是航空器领域的系统设计，其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都可以通过Saber来完成。 5仿真输出滤波电路及滤波效果分析5.1设计参数及纹波要求Line Input 150Vdc,士6V 35WattsVout 15VdcVout(ripple) 25mVp-pIout 50mA to 2AIout(ripple) 100mA p-pPout(max) = (15V)(2A) 30Watts其他：Efficiency 85%Switching Frequency 200KHZ5.2开环设计（功率电路设计） 确定占空比和变压器匝比正激变换器的基本关系式： （5-1）式中Vout为直流输出电压，n为变压器匝比且等于，D为占空比。根据Vout = 15V and Vin = 150V正激变换器的占空比D必须小于0.5，其取值范围在00.5之间。本例中，取D = 0.3， 所以 解上述方程得到n = 3 计算最大、最小和额定的占空比占空比可由下式求得： （5-2） 式中Vd是输出整流二极管压降，令Vd = 0.85V 最大占空比Dmax定义为： （5-3） 式中Vin（min）= 150 6 = 144V,n = 3；Vout = 15V，Vd=0.85.所以Dmax = 0.3