基于PSpice的升壓型開關穩壓電源的設計與仿真

20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開發了開關電源。在半個多世紀的發展過程中，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點而逐漸取代由傳統技術設計制造的連續工作的線性電源，并廣泛用于電子、電氣設備中。20世紀80年代，計算機全面實現了開關電源化，率先完成了計算機的電源換代。20世紀90年代，開關電源在電子、電氣設備以及家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發展期。

Cadence旗下的PSpice是一款電路仿真軟件，能夠對復雜的模數混合電路進行仿真，而且開關電源也不例外。

升壓變換器拓撲結構

升壓變換器屬于間接能量傳輸變換器。供電過程包含能量的存儲和釋放兩方面。如圖1所示，Vclock是脈沖信號源，提供PWM電壓，用以功率開關S1的導通與截止。Rsense為電流取樣電阻，Resr為電容的等效串聯電阻。在開關S1導通期間，二極管D1截止，電感儲存能量，輸出電容單獨為負載提供電能。在開關S1斷開期間，二極管D1導通，儲存了能量的電感與輸入電源串聯，為輸出提供電能，其中一部分轉移到電容C1里。

1、工作于CCM條件下的升壓變換器波形

對圖1所示電路，借助PSpice進行仿真，獲得如圖2所示的波形圖。這是典型的電感電流連續導通模式（CCM）。

圖1基礎升壓變壓器結構電路

圖2工作于CCM條件下的Boost變換器波形

曲線①代表PWM波形，用于觸發功率開關導通或斷開。當開關S1導通時，公共點SW/D電壓幾乎降到0.相反，當開關S1斷開時，公共點SW/D電壓增加為輸出電壓和二極管的正向壓降之和，如曲線②所示。曲線③描述了電感兩端電壓的變化。高電平期間，電感左側電壓為Vin，右側幾乎為0，對應功率開關導通；而低電平期間，電感左側電壓仍為Vin，而右側突變為Vout，因為功率開關截止，同時二極管導通，此時對應電感電壓為負值，這就意味著輸出電壓大于輸入電壓。

電感電路在平衡時，電感兩端電壓平均值為0，即電感的電壓時間平衡。也就是圖中陰影部分面積S1=S2.假設D為PWM的占空比，TSW為開關周期。則

整理得到

可見，在理想情況下，D越接近1，輸出電壓將趨于無窮大。實際上，只要輸出一定的電流，就難以得到傳輸系數超過4~5的升壓變換器。

曲線④為電感電流波形。可以看到電感電壓雖然出現了跳變，但電感電流仍然是連續的。

曲線⑤是輸出電壓波形，也是電容電壓。可以看到恢復尖峰以及電壓紋波。若考慮輸出電容的ESR，則相對紋波為

曲線⑥是輸入電流，明顯它是連續的。

2、工作于臨界導通模式下的電感電流

當電感電流紋波降到0時，功率開關S1立即閉合，電感電流又向上增大。如圖3所示電感電流處于臨界點的電流變化。此時，電感電流平均值即對稱三角形的電流平均值為最大值的1/2.即

假設效率為100%，則有

聯立以上兩式，可得R和L的臨界值

圖3電感電流處于臨界點的電流變化