开关电源优秀稿2010.6.23.

1、基于Multisim的开关电源设计学生：管增辉指导教师：徐永贵摘要：本文从开关电源的基本结构出发，首先简单介绍了开关电源中的保护电路，然后又介绍了RC（变换器，对其工作原理、输出稳压、振荡占空比和振荡频率等进行了讨论，之后在这个基础上，又 以一个实例说明了开关电源设计的相关问题，并对其中关键点处的电压、电流用Multisim进行了仿真,最后，简单介绍了一下开关电源中功率因数的问题，并对在新世纪中开关电源的发展趋势作了概括。关键词:开关电源 Multisim RCC 变换器功率因数仿真A bstract : From the basic structure of switch power sup

2、ply, related contents are mentioned. Firstly, we briefly in troduce into the protect ion circuit of switch ing power supply, sec on dly,we in troduce into the most simplest con verter for RCC- RCC con verter, the n,the operati onal prin ciple of output voltage oscillation SHCH and oscillation freque

3、ncy are discussed, based on that, we illustrated with an example of the related problems desig n of switch power supply, and the key points of voltage or curre nt is simulated with Multisim, fin ally, we make a simple in troducti on of switch power supply and power factor and the problems in the new

4、 cen tury to the developme nt trend of switch power supply is briefly summarized.Key words : switch power supplyMultisim RCC converter and power factorthesimulatio nMultisim 是一款专门用于电子线路仿真的软件，这款新的软件在保留了EWB5.0形象、直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，也大大扩充了库中仿真元件的数目，并且将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示全部集中在同一窗口中，整个界面就像一个实验

5、工作台。特别新增了射频电路、 VHDL Verilog语言电路的仿真设计，成为讫今为止使用最方便、最直观的仿真软 件。本文通过该软件对升压式变换器电路进行仿真，说明运用Multisim 仿真设计升压式开关电源的方法。那么，什么是开关电源呢？凡是用半导体功率器件作开关，将一种电路形式转换成另一种电路形式的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。二、开关电源概述1.开关电源的原理框图开关电源通常由六部分组成1第一部分是输入电路， 它包括低通滤波器和一次整流。交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行有源调整。第

6、三部分是功率转换，这是由电子开关和高频变压器来完成的。第四部分是输出回路。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。 第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。 交流输入电压图2.1脉宽调制式开关电源工作原理图 2开关电源的调控方式和基本反馈类型开关电源有两种工作模式2: 一种是连续模式CUM另一种是不连续模式 DUM图2.5所示。图2.3改进的基本反馈电路图2.2基本反馈电路基本反馈类型有四种：这四种形式的反馈电路的原理图分别如图2.2、图2.3、图2.4、图2.5配TL431的精密光电耦合反馈电路

7、图2.4配稳压管的光电耦合反馈电路三、开关电源主要回路设计简介1电压倍压整流技术开关电源整流方式一般采用桥式整流。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图3.1所示。在图3.1中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻Rv和可控硅vs具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。I3：Lu_i图3.1倍压整流图图3.2倍压整流的输出波形图3.4桥式整流输出波形图图3.3桥式整流示意图3过压保护电路的设计输入保护电路如图 3.5示。输出过压保护在开关稳压电源中也是至关重要的，常用的方法是晶闸管短路保护，其电路图如图3.6示。四、RCC电路基础简介1. RCC电路

8、的工作原理Jb图4.1 RCC电路工作原理图F面说明实际应用中 RCC电路的工作过程 。为简化稳态分析，可做如下近似:(1) 忽略变压器漏感对主管 Tr1的集射极电压VCE的影响，实际使用时需要 RCD箝位;(2) 主电路输出电容足够大，输出绕组电压箝位于输出电压VO ；(3) 稳态时电容 C2上的电压保持不变；(4)稳态时电阻Rg的作用可以忽略2电路的起动接通输入电源Vin后，电流ig通过电阻Rg流向开关晶体管Tr1的基极，Tr1导通，ig称为起动电流。在RCC方式中，晶体管 Tr1的集电极I C必然由零开始逐渐增加，如图4.2所示。T=Ton+Toff图4.2晶体管集电极电流和输出二极管的

9、电流波形3开关晶体管处于ONI犬态时一旦Tr1进入ON状态，输入电压 Vin将加在变压器的初级绕组上，线圈Nb上产生的电压 VB为式(4-1)该电压与Tr1极性相同，因此VB将维持T r1的导通状态。设Tr1的基极一发射极间的电压 Vbe, D2的正向电压为 VF2,则IB可表示为(Nb/Np)Vin -(Vf2 VbeJRb式(4-2)Ic波形如图4.3示，当集电极电流与直流电流放大倍数hFE之间将呈现如下关系:时，Tr1才能维持ON状态。在基极电流不足的区域,式(4-3)Np线圈的电压下降，导致Nb线圈的电压也随之降低，Ib进一步减小，因此 Tr1的基极电流不足状态不断加深，Tr1迅速转至

10、OFF状态。图4.3RCC方式的开关动作4晶体管处于OFF状态时如果晶体管处于OFF状态，次级绕组使D4导通，电流i2流过负载，经过某一时间 toff后，变压器能量释放完毕，电流i2变为o。但是，此时Ns绕组上还有少量残留的能量，这部分能量再一次返回,使绕组Nb产生电压,TM再次ON继续重复前面的开关动作。图4.4给出各个部分的动作波形。VinVceIcVbTonToff图4.4RCC方式的动作波形5输出稳压的问题7。因此，单位时间内RCC 方式的稳压器是通过反向电动势使次级的二极管导通向负载提供功率的变压器存储的能量与输出功率相等，设变压器初级电感为Lp,有2 si21。式(4-4)因此，欲

11、使输出电压 V。稳定，f最好随晶体管的 ON时间变化而变化。图4.5所示，要使晶体管OFF只要基极电流不足即可， 那么只要阻止来自变压器 MB的电流流过Tr1Vc - Vz _VBE式(4-5)于是Dz导通，电流从它所形成的旁路流过，进而使TM OFF。C2的充电电流经过一段时间后，由于输出电压上升，图4.1中C2的端电压Vc也随输出电压V。成正比上升,即在的OFF期间内，变压器存储的能量向负载释放，即相当于存在负电源,和次级电流Is也会同时流动。此间 Ns线圈和Nb线圈的电压值分别与匝数比成正比，即NB丄式(4-6)Vc旦(V。Vfa)Ns式中：Vf3、Vf4分别为D3、D4的正向电压降。假

12、设VC上升，那么与阴极相连的二极管 Dz导通，于是Tr1的I B流过旁路Dz,基极中没有电流。因此，此时Tr1 OFF。从电压之间的关系来分析，Dz的齐纳电压式(4-7)Vz 二 VcVbe因此由VZ与即可确定输出电压Vo，输出电压为B式(4-8)Vo 工山(Vz -Vb Vf3)-Vf4Nb6振荡占空比的计算F面推导占空比D的计算公式8。在图4.6中，设流过初级绕组Np的电流为i1，变压器的电感LP，则有i1ViLp式(4-9)当t二toN时，电流取得最大值hpi V.tl1ptoNLp式(4-10)再由变压器的基本原理，求得次级电路的最大电流值i2p 为:i2p 二NpNsNstONLp式

13、(4-11)次级电流从i2p开始以Vl的比率减小,因而,求得其瞬间值为NpV1Ns Lpt0N2tLS式(4-12)这里RCC方式的初始条件为t二toff ,tf=oLsNsLpon式(4-13)将iip式中的ton带入上式，求得toff为toffNS Lp V2 V1式(4-14)求得占空比D为Dtont offVp (NPN)*(Ls V2)hpS上皿一式(4-15)V Lp V LsV1 =V|n - Vce (sat)式(4-16)式(4-17)带入上式得到更为实用的公式，即(Vo VfK LpD(VoVfRLp(Vin -VcE(sat).、Ls式(4-18)7振荡频率的计算由变压器

14、初级、次级功率相等的条件得到1 2式(4-19)二 LPi：pf =IoM由上式，求得hp为:- Lp式(4-20)因为f为1ton toffLpv1)i1pLv)i1p(S)心 V2)i1p式(4-21)将ig带入上式整理，得_v3221 V1V2-2l(LpV22 +2V2V1/LT； +LsM2) 2IO 对亍V了LS 丿式(4-22)8变压器的设计方法开关稳压器中，变压器的设计是要点之一，它的所有动作与特性几乎都取决于变压器的设计。(1)初级绕组的求法匝数的计算公式如下：Vin 1082 汨 *Ac *f式(4-23)式中：VIN为Np线圈的外加电压；B为磁芯的磁通密度；AC为磁芯的有

15、效截面积。最大磁通密度Bm受温度影响而发生变化，因此，必须根据实际工作条件，从特征表中求得Bm。F面计算电感值9，并按最低输入电压的占空比D来计算。ii为三角波，设功率转换效率为、输出功率为FO、输入电压最小值为ViN(min)、初级电流的平均值为V1(ave)，则初级电流的最大值为求得初级绕组所需电感Lp2 il(ave)i1 pVIN (min)tONi1 p(2) 其他线圈的求法次级电流的峰值i2p那么次级绕组的电感D*VIN (min)式(4-24)Lp为nDV|N (min)=ton2FO式(4-25)与输出电流Io的关系为i2p式(4-26)Ls为式(4-27)Vs(1_D) t求

16、得次级绕组的匝数Ns(Vo VF)(1-D)tofP。Y I O*1 DV 2|N (min)ton Np式(4-28)式中：Vf为次级整流二极管的正向压降。然后来求初级绕组的匝数Ng。由Tri的Veb条件有：NVes式(4-29)V。+Vf实际上各个绕组的匝数应该比计算结果稍多一些。五. RCC电路设计与仿真1. RCC建模及参数设计(1) 主要参数输入电源电压 AC:150 25OV;输入频率：50Hz;输出：电压 5V;电流：0.3A;稳压精度：10% 本设计中振荡频率为 50kH z,且此时晶体管的占空比D=0.4。(2) 变压器绕组设计变压器电感及匝数的计算2变压器的初级绕组 Np的

17、电流为三角锯齿状，因此电流ii的峰值bp是输入电流平均值的倍。设D功率转换效率为=75%有2 * i1 (ave)2.FO2 5 0.3= 0.0667A式(5-1)D V|N(min)0.4 0.75 150Np线圈的电感Lp为V|N (min)i1 p1508 10 -18.0m0.0667式(5-2)由输出电压 V=5v,则次级线圈电压VS =VO Vf =50.7 =5.7V式(5-3)由变压器的伏秒平衡可以得到V|N(min)DT 二血 Vs(1 -D)TNs式(5-4)从而得到匝数比为N PVin (min) D150 0.4=17.54式(5-5)NSVS(1-D) 5.7 0.

18、6由以下公式可确定所选择的RCC方式变压器的匝数Ns 二i 1p LPN12 二 B * A式(5-6)所选定次级线圈的匝数 NS为Nsi1p * LP0.0667 18N12 B 17.54 400 41106-4.2 取4匝式(5-7)所选定的初级线圈匝数Np为NP 二 N12 - NS =4 17.54 =70.16 取 71 匝设最低输入电压 VS =6V，则求得初级绕组匝数Nb为N B 71 二 2.84取 3 匝150式(5-8)式(5-9)变压器间隙的计算本例中磁芯是材质为 H3S的EI22，则磁路的总间隙lg为:lg4LpA 叫 10书=4二 041 6孑 10= 0.012m

19、m1涉10实际的间隙纸板厚度为lg的一半，即为0.006mm。y(3) 控制回路的设计当Tri处于OFF时，线圈Nb的电压V为2血仏=3 5.7 =4.3V式(5-11)Ns4二极管Dz两端的电压 Vz为：VZ =VS -(VBE VF) =4.3-(0.70.7)=4.3V式(5-12)(4) 驱动回路设计晶体管Tr1的集射极实际电压波形如图5.1所示10。TonVdsp图5.1开关管集射极电压波形V 由Ton变为Toff时，因变压器漏感磁通的影响，近似利用公式为式(5-13)式(5-14)1.5色二出V1N21N21求得V5 7Mr =0.5 - =0.550VN210.057V1S是由一

20、次电路的电感成分所生成的浪涌电压，故Tr1集电极电压最高值 VCE为V5 7Vce- V1r V1S Vin(max)50 30 250 = 430V 式(5-15)N210.057设Ic =0.067A时，考虑一定的余裕，hFE取10,必须的基极电流Ib为6.74mA。于是基极电阻Rb为3Vb - (Vbe Vf)Rb :150 -(0.7 0.7)取800门 式(5-16)71726门0.0067(5) 次级电容、二极管的选定二极管Df关断时反向电压Vdr值为Vdr =VO1V1 *N25 250 0.05 19.25V式(5-16)电容器Co内所导通的纹波电流其有效值为1i一 Ton (

21、I 2I I 亠 I 2 )亠 Toff I 2 2ico(rms) = (IOP-IOPIO I O)I O3TT式(5-17)当输入电压为最低而输出电流最大时，纹波电流最大。此时纹波电流为10 4222 ico(rms)=(1 -1 0.3 0.3 )0.6 0.3 2 =0.4A 式(5-18)3(6 )其他参数的选定初级绕组的RC缓冲电路中，根据经验取 R=20k,而RC放电常数Tp应该小于关断时间的十分之。因此有1TrcToff =0.1 0.6 20 =1.2s10则求得电容C为式(5-19)= 60pF 取 47pF式(5-20)起动电流ig最低有0.25mA就足够了，因此起动电

22、阻 Rg为V|N (MIN )ig耳二 600K0.25mA式(5-21)2设计电路的仿真设计的RCC电路如图5.2所示。由于仿真电路的3绕组变压器采用的是理想变压器，故在初级绕组上并联一个18.0m的电感，同时由于变压器的漏感较小，所以忽略掉漏感，仿真电路的所有二极管均采用理想二极管，但压降为0.7V。图5.2RCC开关电源仿真图仿真主要波形如图5.3-5.7所示。n +；创ra-TiiIJXJWrafZllCrffii34.au * 亠榔era層牌| ErL Tw4i|ntf.ni谕|曲4制kgFTaJ 厂-I I5s厂rR. k*ta8 lflfa而“ft丨创吃Jx| 0 0C忙 ic|

23、 uJdT_J广JM正恆 I k 11r7图5.3 晶体管集电极电压 Vc图5.4输出电压波形Vo图5.5原边电感电流波形图5.6晶体管基极电压波形. “ 4z)NiAH感防碍tS. LWrax氓庚7円ilA519.1551#9H.499vA*Md.ua iA*Ml gmtZE 厂FtMB阳卜W i-tZR j| :JK_:| 厂 *3 fglff-ElBUir-图5.7发射极电压波形从图5.7波形可以看出，电路的工作周期T二16.667ms ,电流流通时间TS =16.667ms-9.943ms，则占空比 D 为Ts 16.667 -9.943 D -0.4034式(5-22)T16.667

24、输出电压值为VO =4.92V，则其误差为e = Vo 叫 100% = 5 -4.92 100% =1.6% ： 10%式(5-23)Vo5故符合设计标准。最终设计的开关电源电路如图5.8所示,各关键点处的电压波形如图5.9-5.12所示。cftrMmrt6JkDI:47pi:枷丽尊：卫R9-5.CElQMJ-.-11 102柑?.7kJ0H9-M_17W12JiFRI?Mr-:-p* -图5.8 开关电源电路rtr丄即.陀丄riftAPFC的工作原理9如下：输出电压Uo和基准电压 V比较后，送给误差放大器，整流电压检测值和 电压误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器的输入端，乘法器的输出作

25、为电流反馈控制的基准信 号，与输入电流检测值比较后，经过电流误差放大器，其输出再经过PWM匕较器加到栅极驱动器，以控制开关管的通断，从而使输入电流iL的波形与整流电压 Ude的波形基本一致，使电流谐波大为减少。七. 21世纪开关电源的发展趋势电子技术已发展成为一门完整的、 自成体系的高科技技术， 它的发展带动了电源技术的发展， 而电 源技术的发展又有效的促进了电源产业的发展。迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业， 并广泛应用于各行各业，其发展趋势为高频、高效、低压、大电流和多元化。现今，电源设备已广泛用于工业、能源、交通等领域。在信息时代，各行各业都在迅猛发展，发展的同时又对电源产业提出了更多