開關(guān)電源優(yōu)秀稿2010623(18)

1、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計基于Multisim的開關(guān)電源設(shè)計學(xué)生：管增輝 指導(dǎo)教師：徐永貴1濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計摘要：本文從開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，首先簡單介紹了開關(guān)電源中的保護(hù)電路，然后又介紹了RCC變換器，對其工作原理、輸出穩(wěn)壓、振蕩占空比和振蕩頻率等進(jìn)行了討論，之后在這個基礎(chǔ)上，又以一個實例說明了開關(guān)電源設(shè)計的相關(guān)問題，并對其中關(guān)鍵點處的電壓、電流用Multisim進(jìn)行了仿真，最后，簡單介紹了一下開關(guān)電源中功率因數(shù)的問題，并對在新世紀(jì)中開關(guān)電源的發(fā)展趨勢作了概括。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 Multisim RCC變換器 功率因數(shù) 仿真Abstract：From the basic structure

2、of switch power supply, related contents are mentioned. Firstly, we briefly introduce into the protection circuit of switching power supply, secondly,we introduce into the most simplest converter for RCC- RCC converter, then,the operational principle of output voltage oscillation SHCH and oscillatio

3、n frequency are discussed, based on that, we illustrated with an example of the related problems design of switch power supply, and the key points of voltage or current is simulated with Multisim, finally, we make a simple introduction of switch power supply and power factor and the problems in the

4、new century to the development trend of switch power supply is briefly summarized.Key words: switch power supply Multisim RCC converter and power factor the simulation一、 前 言Multisim是一款專門用于電子線路仿真的軟件，這款新的軟件在保留了EWB5.0形象、直觀等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大大增強了軟件的仿真測試和分析功能，也大大擴(kuò)充了庫中仿真元件的數(shù)目，并且將原理圖的創(chuàng)建、電路的測試分析、結(jié)果的圖表顯示全部集中在同一窗口中，整個界

5、面就像一個實驗工作臺。特別新增了射頻電路、VHDL、Verilog語言電路的仿真設(shè)計，成為訖今為止使用最方便、最直觀的仿真軟件。本文通過該軟件對升壓式變換器電路進(jìn)行仿真，說明運用Multisim仿真設(shè)計升壓式開關(guān)電源的方法。那么，什么是開關(guān)電源呢？凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電路形式轉(zhuǎn)換成另一種電路形式的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源。二、 開關(guān)電源概述 開關(guān)電源的原理框圖開關(guān)電源通常由六部分組成。第一部分是輸入電路，它包括低通濾波器和一次整流。交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到第二部分進(jìn)行有源調(diào)

6、整。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，這是由電子開關(guān)和高頻變壓器來完成的。第四部分是輸出回路。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。脈寬調(diào)制一次整流低通濾波有源調(diào)整脈沖驅(qū)動電子開關(guān)高頻變壓器二次整流平滑濾波 誤差放大器比較器采樣輸出基準(zhǔn)電壓直流輸出V交流輸入電壓 V圖2.1 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源工作原理圖 開關(guān)電源的調(diào)控方式和基本反饋類型開關(guān)電源有兩種工作模式 ：一種是連續(xù)模式CUM，另一種是不連續(xù)模式DUM?；痉答侇愋陀兴姆N：這四種形式的反饋電路的原理圖分別如圖2.2

7、、圖2.3、圖2.4、圖2.5所示。 圖2.2 基本反饋電路 圖2.3 改進(jìn)的基本反饋電路 圖2.4 配穩(wěn)壓管的光電耦合反饋電路 圖2.5 配TL431的精密光電耦合反饋電路三、 開關(guān)電源主要回路設(shè)計簡介 電壓倍壓整流技術(shù) 開關(guān)電源整流方式一般采用橋式整流。為了實現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，要利用倍壓整流技術(shù)，如圖3.1所示。在圖3.1中，兩種輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換由開關(guān)S1來完成，此外，本電路中的壓敏電阻Rv和可控硅vs具有浪涌電流抑制、瞬間輸入電壓保護(hù)的功能。 圖3.1 倍壓整流圖 圖3.2 倍壓整流的輸出波形 橋式整流示意圖圖3.3 橋式整流示意圖 圖3.4 橋式整流輸出波形圖過壓保護(hù)電路的設(shè)計輸

8、入保護(hù)電路如圖3.5示。輸出過壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中也是至關(guān)重要的，常用的方法是晶閘管短路保護(hù)，其電路圖如圖3.6示。圖3.5 輸入保護(hù)電路 圖3.6 過壓保護(hù)電路圖4、 RCC電路基礎(chǔ)簡介 RCC電路的工作原理圖4.1 RCC電路工作原理圖下面說明實際應(yīng)用中RCC電路的工作過程。為簡化穩(wěn)態(tài)分析，可做如下近似：（1）忽略變壓器漏感對主管T的集射極電壓V的影響，實際使用時需要RCD箝位；（2）主電路輸出電容足夠大，輸出繞組電壓箝位于輸出電壓；（3）穩(wěn)態(tài)時電容C上的電壓保持不變；（4）穩(wěn)態(tài)時電阻R的作用可以忽略。電路的起動接通輸入電源V后，電流i通過電阻R流向開關(guān)晶體管T的基極，T導(dǎo)通，i稱為起動

9、電流。在RCC方式中，晶體管T的集電極I必然由零開始逐漸增加，如圖4.2所示。晶體管的集電極電流輸出二極管的電流波形i1i1pi2p輸出電流是i2的平均值i2TonToffT=Ton+Toff圖4.2 晶體管集電極電流和輸出二極管的電流波形開關(guān)晶體管處于ON狀態(tài)時一旦T進(jìn)入ON狀態(tài)，輸入電壓V將加在變壓器的初級繞組N上，線圈N上產(chǎn)生的電壓V為 式(4-1)該電壓與T 極性相同，因此將維持 T的導(dǎo)通狀態(tài)。設(shè)的基極發(fā)射極間的電壓,的正向電壓為,則可表示為 式(4-2)Ic波形如圖4.3示，當(dāng)集電極電流與直流電流放大倍數(shù)之間將呈現(xiàn)如下關(guān)系： 式(4-3)時，才能維持ON狀態(tài)。在基極電流不足的區(qū)域，

10、線圈的電壓下降，導(dǎo)致線圈的電壓也隨之降低，進(jìn)一步減小，因此的基極電流不足狀態(tài)不斷加深，迅速轉(zhuǎn)至OFF狀態(tài)。t若達(dá)到因h不足而OFFTonIc輸入電壓下降，Ib下降，Ton變窄圖4.3 RCC方式的開關(guān)動作晶體管處于OFF狀態(tài)時如果晶體管處于OFF狀態(tài)，次級繞組使導(dǎo)通，電流流過負(fù)載，經(jīng)過某一時間后，變壓器能量釋放完畢，電流變?yōu)?。但是，此時繞組上還有少量殘留的能量，這部分能量再一次返回，使繞組產(chǎn)生電壓，再次ON，繼續(xù)重復(fù)前面的開關(guān)動作。圖4.4給出各個部分的動作波形。浪涌電壓VinVce由于Ig導(dǎo)致ONIcI1pVbVb=Nb/Np*VinIbIb=Vnb/RbTonToff圖4.4 RCC方式

11、的動作波形輸出穩(wěn)壓的問題RCC方式的穩(wěn)壓器是通過反向電動勢使次級的二極管導(dǎo)通向負(fù)載提供功率的。因此，單位時間內(nèi)變壓器存儲的能量與輸出功率相等，設(shè)變壓器初級電感為,有 式(4-4)因此，欲使輸出電壓穩(wěn)定，f最好隨晶體管的ON時間變化而變化。圖4.5所示，要使晶體管OFF，只要基極電流不足即可，那么只要阻止來自變壓器的電流流過的基極，讓它從旁路流過即可。 圖4.5RCC方式穩(wěn)壓原理圖 圖4.6等價電路在 OFF期間，線圈通過導(dǎo)通的為充電，的電壓變?yōu)樨?fù)電壓，的電壓為： 式(4-5)于是導(dǎo)通，電流從它所形成的旁路流過，進(jìn)而使 OFF。經(jīng)過一段時間后，由于輸出電壓上升，圖4.1中的端電壓也隨輸出電壓成正

12、比上升，即在的OFF期間內(nèi)，變壓器存儲的能量向負(fù)載釋放，即相當(dāng)于存在負(fù)電源，的充電電流和次級電流也會同時流動。此間線圈和線圈的電壓值分別與匝數(shù)比成正比,即 式(4-6)式中：、分別為、的正向電壓降。假設(shè)上升，那么與陰極相連的二極管導(dǎo)通，于是的流過旁路，基極中沒有電流。因此，此時 OFF。從電壓之間的關(guān)系來分析，的齊納電壓為 式(4-7)因此由與即可確定輸出電壓，輸出電壓為 式(4-8) 振蕩占空比的計算下面推導(dǎo)占空比D的計算公式。在圖4.6中，設(shè)流過初級繞組的電流為，變壓器的電感，則有 式(4-9)當(dāng)時，電流取得最大值 式(4-10)再由變壓器的基本原理，求得次級電路的最大電流值為： 式(4-

13、11) 次級電流從開始以的比率減小，因而，求得其瞬間值為 式(4-12)這里RCC方式的初始條件為 ，則有 式(4-13)將式中的帶入上式，求得為 式(4-14)求得占空比D為 式(4-15)將 式(4-16) 式(4-17) 帶入上式得到更為實用的公式，即 式(4-18)振蕩頻率的計算由變壓器初級、次級功率相等的條件得到 式(4-19)由上式，求得為： 式(4-20)因為f為 式(4-21)將帶入上式整理，得 式(4-22)變壓器的設(shè)計方法開關(guān)穩(wěn)壓器中，變壓器的設(shè)計是要點之一，它的所有動作與特性幾乎都取決于變壓器的設(shè)計。（1） 初級繞組的求法匝數(shù)的計算公式如下： 式(4-23)式中：為線圈的

14、外加電壓；為磁芯的磁通密度；為磁芯的有效截面積。最大磁通密度受溫度影響而發(fā)生變化，因此，必須根據(jù)實際工作條件，從特征表中求得。下面計算電感值，并按最低輸入電壓的占空比D來計算。為三角波，設(shè)功率轉(zhuǎn)換效率為、輸出功率為、輸入電壓最小值為、初級電流的平均值為，則初級電流的最大值為 式(4-24)求得初級繞組所需電感為 式(4-25)（2） 其他線圈的求法次級電流的峰值 與輸出電流的關(guān)系為 式(4-26)那么次級繞組的電感為 式(4-27)求得次級繞組的匝數(shù) 式(4-28)式中：為次級整流二極管的正向壓降。然后來求初級繞組的匝數(shù)。由的條件有： 式(4-29)實際上各個繞組的匝數(shù)應(yīng)該比計算結(jié)果稍多一些。

15、五 RCC電路設(shè)計與仿真RCC建模及參數(shù)設(shè)計（1） 主要參數(shù)輸入電源電壓AC:150250V；輸入頻率：50Hz；輸出：電壓5V；電流：0.3A;穩(wěn)壓精度：10%。本設(shè)計中振蕩頻率為50kHz，且此時晶體管的占空比D=0.4。（2） 變壓器繞組設(shè)計變壓器電感及匝數(shù)的計算變壓器的初級繞組的電流為三角鋸齒狀，因此電流的峰值是輸入電流平均值的倍。設(shè)功率轉(zhuǎn)換效率為=75%，有 式(5-1)線圈的電感為 式(5-2)由輸出電壓=5v，則次級線圈電壓 式(5-3)由變壓器的伏秒平衡可以得到 式(5-4)從而得到匝數(shù)比為 式(5-5)由以下公式可確定所選擇的RCC方式變壓器的匝數(shù) 式(5-6)所選定次級線圈

16、的匝數(shù)為 取4匝 式(5-7) 所選定的初級線圈匝數(shù)為 取71匝 式(5-8) 設(shè)最低輸入電壓，則求得初級繞組匝數(shù)為 取3匝 式(5-9) 變壓器間隙的計算本例中磁芯是材質(zhì)為的EI22，則磁路的總間隙為： 式(5-10)實際的間隙紙板厚度為的一半，即為0.006mm。（3） 控制回路的設(shè)計當(dāng)處于OFF時，線圈的電壓為 式(5-11)二極管兩端的電壓為： 式(5-12)（4） 驅(qū)動回路設(shè)計晶體管的集射極實際電壓波形如圖5.1所示。TonV2/NVinV1sV1r 圖5.1開關(guān)管集射極電壓波形 由變?yōu)闀r，因變壓器漏感磁通的影響，近似利用公式為 式(5-13)求得 式(5-14)是由一次電路的電感成

17、分所生成的浪涌電壓，故集電極電壓最高值為 式(5-15)設(shè)時，考慮一定的余裕，取10，必須的基極電流為6.74mA。于是基極電阻為 取800 式(5-16)（5） 次級電容、二極管的選定二極管關(guān)斷時反向電壓值為 式(5-16)電容器 內(nèi)所導(dǎo)通的紋波電流，其有效值為 式(5-17)當(dāng)輸入電壓為最低而輸出電流最大時，紋波電流最大。此時紋波電流為 式(5-18)（6）其他參數(shù)的選定初級繞組的RC緩沖電路中，根據(jù)經(jīng)驗取R=20k，而RC放電常數(shù)應(yīng)該小于關(guān)斷時間的十分之一。因此有 式(5-19)則求得電容C為 取47pF 式(5-20)起動電流最低有0.25mA就足夠了,因此起動電阻為 式(5-21)設(shè)

18、計電路的仿真 設(shè)計的RCC電路如圖5.2所示。由于仿真電路的3繞組變壓器采用的是理想變壓器，故在初級繞組上并聯(lián)一個18.0m的電感，同時由于變壓器的漏感較小，所以忽略掉漏感,仿真電路的所有二極管均采用理想二極管，但壓降為0.7V。圖5.2 RCC開關(guān)電源仿真圖仿真主要波形如圖5.3-5.7所示。圖5.3 晶體管集電極電壓Vc 圖5.4 輸出電壓波形Vo圖5.5 原邊電感電流波形 圖5.6 晶體管基極電壓波形圖5.7 發(fā)射極電壓波形從圖5.7波形可以看出，電路的工作周期，電流流通時間，則占空比D為 式(5-22)輸出電壓值為=4.92V，則其誤差為 式(5-23)故符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。最終設(shè)計的開關(guān)電

19、源電路如圖5.8所示,各關(guān)鍵點處的電壓波形如圖5.9-5.12所示。圖5.8開關(guān)電源電路圖5.9 C-E間的波形圖 圖5.10 基極電壓Vb圖5.11 變壓器初級線圈電壓波形 圖5.12 Dz兩端電壓波形六、 功率因數(shù)簡介功率因數(shù)的定義 非正弦輸入電流的有效值I可表示為I= 式（6-1）式中I,I，、I輸入電流的基波分量和各次諧波（有效值）。 將各次諧波分量的有效值與基波分量的有效值的比稱為總諧波畸變（THD） THD= 式（6-2） 若基波電流滯后輸入電壓的相位差為，那么輸入有功功率P為 P=UIcos 式（6-3）視在功率P為P=UI=U 式（6-4） 功率因數(shù)為 f=P/P=cos= 式

20、（6-5）有源功率因數(shù)校正基本原理APFC工作原理方框圖如圖6.1所示。圖6.1 APFC工作原理框圖APFC的工作原理如下:輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓V比較后，送給誤差放大器，整流電壓檢測值和電壓誤差放大器的輸出電壓信號共同加到乘法器的輸入端，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號，與輸入電流檢測值比較后，經(jīng)過電流誤差放大器，其輸出再經(jīng)過PWM比較器加到柵極驅(qū)動器，以控制開關(guān)管的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓的波形基本一致，使電流諧波大為減少。七 21世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展趨勢電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，它的發(fā)展帶動了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展又有效的促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。迄今為止，電源已成為非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其發(fā)展趨勢為高頻、高效、低壓、大電流和多元化。現(xiàn)今，電源設(shè)備已廣泛用于工業(yè)、能源、交通等領(lǐng)域。在信息時代 ，各行各業(yè)都在迅猛發(fā)展，發(fā)展的同時又對電源產(chǎn)業(yè)提出了更多更高的要求，如節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材等，所有的這些都顯示著開關(guān)電源必定向多元化方向發(fā)展。八 結(jié)束語本文是基于Multisim的開關(guān)電源仿真，設(shè)計過程中并未考慮到開關(guān)電源中的電磁干擾等問題，對于開關(guān)電源中的傳導(dǎo)干擾也沒有考慮，其中所用的二極管都是理想二極管，但是其導(dǎo)通時的電壓并