單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計及仿真研究

1引言

由于開關(guān)電源既節(jié)能又帶來巨大的經(jīng)濟效益，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，而且有自動均衡各路輸出負載的能力，所以常常被用于設(shè)計大功率高頻開關(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：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)實際的需要修改模型的參數(shù)，或是建立自己的模型；運用PSPICE建立的模型比較精確，可以更好的模擬實際電路；由于利用PSPICE對電路進行分析不需要實際的元器件，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，實用性強，利用它用戶可以對復雜的電路進行仿真，減少電路設(shè)計的周期和費用。PSPICE具有良好的人機界面和控制方式，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)計有重要的指導意義。

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)檢測到的電壓進行比較，產(chǎn)生PWM波，進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

本文對多功能單端反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計，只集中在高頻變壓器和控制電路的設(shè)計。控制方法有：峰值電流控制模式，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)點是抗干擾性好，缺點是電路比較復雜，設(shè)計不合理時會產(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)點是工作穩(wěn)定性好，抗干擾性好，不易產(chǎn)生振蕩，缺點是對電感電流要進行全面的檢測和控制。比較以上三種控制方法，本設(shè)計采用峰值電流控制模式。多功能開關(guān)電源的性能指標為：

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)整率和負載調(diào)整率均小于3%，并且具有較高的效率。

（6）計算氣隙的長度

式中：Ae為磁芯的有效面積，代入數(shù)值計算得到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）計算原邊繞組的匝數(shù)

原邊繞組匝數(shù)的計算有兩個計算公式：式（6）、式（7），通常取原邊繞組的匝數(shù)為兩個計算公式分別計算的原邊繞組匝數(shù)的平均值。

計算出原邊繞組的匝數(shù)為52匝。

（8）計算副邊繞組的匝數(shù)

副邊繞組匝數(shù)按輸入最小電壓，導通的占空比最大進行計算。因為

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

電壓反饋電路有四種基本的類型：基本反饋電路；改進型基本反饋電路；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)計中，由于對電壓調(diào)整率和負載調(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，對輸出電壓進行調(diào)整。雖然該電路的電路比較復雜，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

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載變化響應快，回路穩(wěn)定性好，抗干擾性能強，電壓調(diào)整率小等優(yōu)點^[5]。

圖4電流反饋電路

4.仿真實驗測試

在以上的分析研究的基礎(chǔ)上，建立了仿真模型，運用ORCAD/PSPICE對該開關(guān)電源的整體電路進行仿真實驗的基礎(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)計方案，減少開發(fā)過程的盲目性、復雜性，縮短開發(fā)周期，極低成本，本文對多功能開關(guān)電源的整體電路進行了仿真。運用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)進行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析，尋求滿足設(shè)計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)，通常都與電路的拓撲結(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。