1、 綜合資訊 在線閱讀 原文閱讀 在線商城 下載專區 D A T A S H E E T技術論壇 商務頻道嵌入式系統單片機 D S P EDA/PLD接口電路存儲技術顯示光電電源技術傳感/控制模擬技術通信網絡無線通信電測儀表消費電子汽車電子所在的位置:首頁 技術文章 電源技術 正文入門最佳:O K-2440-I I I S3C2440A R M9開發板(開發板+培訓教程+源碼+開發工具紅色颶風I I代-A l t e r a版USB2.0-CY7C68013-128S開發板紅色颶風I I代-X i l i n x版一種基于正激變換器的開關電源設計方法發布日期:2006-03-15 作者:鄭慧 湯

2、天浩 韓金剛 來源:變頻器世界摘要:本文通過對正激變換器拓撲進行等效變換,推導出其參數計算公式,并用P s p i c e對正激變換器電路進行仿真驗證。最后,設計一個以雙管正激電路為主電路的開關電源,并給出了P s p i c e的仿真結果。關鍵詞:正激變換器等效變換參數計算 Pspice仿真開關電源1引言經過多年的發展,開關電源技術已經取得了很大成功,其應用也十分普遍和廣泛。但因其結構復雜,涉及的元器件較多,以及要降低成本、提高可靠性,仍存在一些問題需要解決。例如:電源的設計和生產需要較高的技術支持;電路的調試要有實際經驗,也有一定的難度。對于第一個問題,由于目前各種開關電源雖然形式多樣,結

3、構各異,但其大都源于幾種基本的D C-D C變換器拓撲結構,或者是這些基本電路組合,因此,可以對幾種基本D C-D C變換器進行分析,將已有的電路設計公式應用于實際開關電源的設計。對于第二個問題,隨著計算機硬件和軟件的發展以及仿真技術的不斷完善,人們可以利用仿真技術來解決開關電源產品開發和生產中存在的問題。本文在對基本的B u c k變換器電路拓撲分析的基礎上,對與之相關的正激變換器和雙管正激變換器進行了分析,發現可以通過等效變換,從B u c k變換電路的設計公式中推導出正激變換和雙管正激變換電路的參數計算公式;此外,采用P s p i c e仿真軟件進行了電路仿真試驗,仿真結果證明了開關電

4、源電路設計的正確性。2 Buck變換的拓撲結構與參數設計基本B u c k變換器的電路拓撲結構如圖1所示,由電壓源V i、串聯開關S、續流二極管V D和由L C組成的電流負載組合而成,其中L的大小決定輸出電流紋波,而輸出電壓紋波則由C決定,這是最基本的一種直流變換器。圖1基本的B u c k變換器文獻1給出了B u c k變換器的電路設計公式,根據B u c k變換器的輸出公式:TI OMAP3530開發平臺 888元51單片機系列國內最超值的單片機學習開發系統E L I T E-I I I單片機學習開發系統-支持A T M E L、S T C、W I N B O N D、S S T四種芯片編

5、程-支持U S B接口編程-功能強大-精美包裝E L I T E-I V單片機開發系統248元單片機讀寫U盤方案-S L811H S T開發套件A R M開發板系列B a s i c2410+3.5寸套裝l V G A1024*768S-v i d e o接口l l i n u x2.6.28l Q t e x t e n d e d4.4.3l w i n c e B S P6.0O K-2440-I I I+3.5寸套裝(送配套教材書M i c r o2440開發板+3.5N E C套裝式中:為占空比,且有:=t o n /T ,則=V o /V i 。 電感L 的計算公式為: 式中:f

6、為開關頻率; Iomin 為輸出最小電流。 而電容C 的計算公式為: 式中:V o 為輸出電壓紋波。 3 正激變換的公式推導3.1 拓撲結構與工作模式 一個單管正激變換器的主電路拓撲結構如圖2所示,由于正激變換器是在基本的B u c k 型變換器基礎上多了一個隔離變壓器T 1、一個二極管V D 1和一個由回收繞組N 3和箝位二極管V D 3構成的復位電路。由于電路形式發生了變化,所以設計時不能直接使用上述基本B u c k 變換器的參數計算公式。本文通過對正激變換器工作模式的分析,采用等效變換方法將正激變換器等效為一個基本的B u c k 變換電路,由此可將基本B u c k 變換電路的參數計

7、算公式(2和(3推廣到一類正激變換器的參數計算,建立新的設計公式。 圖2 單管正激變換器主電路結構正激變換器的工作模式為:(1 當V 1導通時,二極管V D 1導通,輸入電網經變壓器耦合向負載傳輸能量,此時,濾波電感L 1儲能; (2 當V 1截止時,二極管V D 1截止,電感L 1中產生的感應電勢使續流二極管V D 2導通,電感L 1中儲存的能量通過二極管V D 2向負載釋放。 3.2 等效變換與參數計算 根據對正激變換器工作模式的分析,可以發現二極管V D 1的通斷與開關管V 1的通斷同步,因此可以將二極管V D 1用一個等效開關管V 代替,如果可以忽略V 1的導通壓降,則變壓器副邊繞組的

8、感生電壓為: 式中:k 為變壓器的匝比,且有k =N 1/N 2。如果用一個大小為V i的電壓源代替變壓器副邊繞組,就可以將整個正激變換器的輸出邊等效變換為m i n i 2440 開發板 + N E C 3.5TE-2440-II 開發板l 雙網口 l C A N 總線 l V G A接口 l工業設計F PG A /C P L D 開發板系列紅色颶風I I 代-A l te r a 版 (E P 1C 6Q 240 F P G A 開發板紅色颶風II 代-X i l i n x 版 (X C 3S400 F P G A 開發板N IO S I I 2.1 E P 1C 6F PG A 開發板

9、F PG A E P 1C 6開發板NIOS II 2.1EP1C12開發板C y c l o n e II EP2C8 音頻開發板E P M 7128 C P L D 開發板E P M 1270T 144C C P L D 開發板一個基本的B u c k 變換器。等效電路如圖3所示,圖中用開關V 代替了圖2電路中的開關管V 1與二極管V D 1的作用。由此,通過等效變換的正激變換器主電路拓撲結構與圖1所示的基本B u c k 變換器的拓撲結構一致。這樣,就可以采用基本B u c k 變換器的參數計算公式(2和(3來設計正激變換器。 圖3 等效B u c k 變換器由圖3可將公式(2和(3推廣

10、,得到等效后的正激變換器參數計算: (1 占空比的計算: (2 濾波電感的計算: (3 濾波電容的計算: 式(5、(6和(7即為正激變換器的參數計算公式,從式(5可知占空比不僅與輸入輸出電壓有關,還跟變壓器的匝比有關,與式(2和式(3相比,濾波電容與電感的計算也多了一個變壓器的匝比參數k 。 3.3 計算公式驗證 現通過P s p i c e 仿真來驗證所推公式的正確性。設計一個正激變換器,要求其輸入電壓為48V D C ,輸出電壓為12V D C ,輸出電流為5A ,輸出電壓紋波分量 Vo 為1V ,開關頻率f 為50k H z 。先選定=0.4,即t o n =8s ,再由式(5、(6和式

11、(7算出變壓器的匝數比為1.6,L 1= 15H ,C 1=24F ,而R L =V o /I o =2.4。 在P s p i c e 下繪制電氣原理圖,并對其進行暫態時域分析,仿真時間設為1m s 。 仿真輸出電壓波形如圖4所示,可以看出,其輸出電壓在0.2m s 后就已經穩定在所要求的12V 上了,其輸出紋波也完全符合要求,從而證明前面所推公式是正確的。U S B B l a s t e r 下載器D S P 開發板系列D S P 2812S -S T U D Y -K I T 開發板DSP2812+USB2.0 CY7C68001學習開發平臺DSP2812-Pro 多功能開發板DSP2

12、407A+USB2.0+NET 開發板DSP28335 Lite 學習開發板DSP28335S 學習開發板DSP5509S-STUDY-KIT 學習開發板DSP5416+FPGA 1C6+U S B 2.0 C Y 7C 68001開發板DSP5402網絡語音開發板DSP+CPLD+單片機學習板XDS510-USB2.0仿真器USB2.0/CAN 總線開發板系列U S B 2.0-C Y 7C 68013A -56開發板U S B 2.0-C Y 7C 68013-128S 開發板無線通信開發板系列 無憂無線n R F 9e 5 S O C 開發平臺無憂無線n R F 24Z 1高保真數字 音

13、頻傳輸開發平臺 圖4雙管正激變換器主電路4開關電源設計舉例現利用上述方法,設計一個雙管正激型開關穩壓電源,要求輸入電壓為48V D C,輸入變化范圍為±5%,輸出電壓為12V D C,輸出電壓紋波范圍為1V,輸出電流為5A,開關頻率為50k H z。(1 主電路參數計算選取雙管正激電路作為開關穩壓電源的主電路,如圖5所示。其工作原理與單管正激變換器相同,只是這里的兩個開關管同時導通和關斷,且因為有V D A、V D B,不需另外的復位電路。控制電路則采用簡單的電壓控制模式。 圖5雙管正激變換器主電路這里可以直接用正激變換器的公式計算其參數。由設計要求可知T=1/f=20s,R=V o

14、/I o=2.4,I o m i n = 11.5V/2.4=4.79A。由于雙管正激電路占空比最大只能為0.5,因此可以選取當輸入為45.6V(輸入電壓最小時,占空比為0.45,然后由式(5算出變壓器的變比為7/4,由式(6求出電感L=13H,根據式(7解出電容C=25F。(2控制電路參數計算開關電源采用占空比控制方式,可分為電壓模式控制和電流模式控制兩大類。電壓模式控制僅有一個電壓控制環,電流模式控制中還存在電流內環。這里采用電壓模式控制,如圖6所示,運算放大器U1為電壓控制器,運算放大器U2為比較器。其控制原理為,取樣于輸出電壓的反饋電壓u f與給定電壓V3相比較,經過比例積分環節,輸出

15、電壓再與鋸齒波V1比較,產生一個P W M波,去驅動開關管。 圖6開關穩壓電源的控制電路控制電路采用P I電壓調節器,需要確定的參數有C2、R3和R2,還有輸出采樣電阻。選取取樣電壓為輸出電壓的1/6,取樣電阻的值最后根據調試結果確定。根據不同要求的輸出電壓,調節可變電阻R6,以獲得相應的給定電壓。取截止頻率為開關頻率的1/20,即=0.0004s。取R2=10k,先取放大倍數K p=10,則R3=100k,C2=/R3=40P F。5仿真試驗將設計的開關電源用P s p i c e進行仿真,首先在P s p i c e下繪制電氣原理圖,仿真電路如圖7所示。再按上述步驟進行參數設計,最后進行仿

16、真試驗和電路調試,由于仿真試驗的主要目的在于參數的確定和調試,因此,為簡便起見可暫不考慮保護電路的作用。調試后的各參數最佳值見圖7。 圖7開關穩壓電源電路原理圖將圖7所示的開關電源控制電路圖用P s p i c e進行仿真,并進行暫態時域分析,仿真時間設為2m s。仿真輸出波形如圖8所示:圖8 Vi4V 5 時的PM W波形、輸出電壓和取樣電壓波形 圖9 Vi4V 8時的PM W波形和輸出電壓 從圖8 可以看出，其輸出電壓和反饋電壓均滿足設計要求。 從圖9 0 和1可以看到，雖然輸入電壓發生了變化，但該系統能實現對占空比的自動調節，使其輸出電壓 穩定在所要求的1V 2，而且輸出紋波和穩定時間均滿足設計要求。 圖1 0 6 結束語 Vi5V 1時的輸出電壓波形圖 本文通過對正激變換電路進行等效變換，將基本Bc變換器的參數計算公式推廣到一類正激變換電路 uk 的參數設計，并采用Ppc仿真軟件進行正激變換器的仿真試驗