電壓調(diào)度型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與仿真

電壓調(diào)度型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與仿真

0可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)原理由于高性能和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)（smps）已越來(lái)越受到重視。其中，電壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備和便攜式設(shè)備。為了提高電池的利用率，延長(zhǎng)使用時(shí)間，犧牲誤差是必要的。為了提高電池的利用率，延長(zhǎng)插值電路的焊接結(jié)構(gòu)是固定的。電路中l(wèi)和c的計(jì)算方法有幾種。l和c是通用于l的計(jì)算方法。對(duì)于文獻(xiàn)中的詳細(xì)介紹，很多計(jì)算方法都是相似的計(jì)算方法，因此不考慮l、c、d、開(kāi)關(guān)管和其他設(shè)備的損壞。采用SPICE可以對(duì)L、C、D、開(kāi)關(guān)管等器件進(jìn)行建模,并能通過(guò)仿真精確的計(jì)算出L和C的最佳數(shù)值,從而為提高變換電路的效率提供指導(dǎo).1基于電流增量的降壓Boost變換原理如圖1所示.當(dāng)Tr飽和時(shí),D管反偏截止,vA=0,L上的電壓為vA=V1,相應(yīng)的電流增量當(dāng)Tr截止時(shí),D管正向?qū)?vA≈VO,L上的電壓為vL≈V1-V0,相應(yīng)的電流增量當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),由此得,,其中占空比d=ton/T.由于0<d<1,因此實(shí)現(xiàn)了升壓.2變變線檢測(cè)采用LT公司的LTC3814-5為Boost變換控制芯片.LTC3814-5片內(nèi)具有1Ω雙路N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,能夠提供大電流以快速驅(qū)動(dòng)大型MOSFET,最大限度的減小變換損耗.LTC3814-5可以用45V到14V的輸入電源以97%的高效率變換輸出24V/4A中功率電源,可以調(diào)節(jié)的輸出電壓高達(dá)60V.采用LTC3814-5設(shè)計(jì)的Boost變換電路如圖2所示.在圖2中,BG連接場(chǎng)效應(yīng)管Q1,開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)信號(hào)由此輸出.TG連接場(chǎng)效應(yīng)管Q2,TG的輸出信號(hào)與BG的輸出信號(hào)相配合,Q2相當(dāng)于一個(gè)低導(dǎo)通壓降的二極管.穩(wěn)壓二極管D2對(duì)Q2提供反向過(guò)壓保護(hù).變換后的電壓經(jīng)C3濾波后輸出到負(fù)載.電流的主通路是:輸入電源V1→電感L1→場(chǎng)效應(yīng)管Q2→負(fù)載Rload.R2和R3構(gòu)成分壓取樣電路,取樣電壓經(jīng)FB反饋輸入后,LTC3814根據(jù)反饋電壓的大小調(diào)整開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比,從而實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓.3電路的仿真與分析采LT公司的LTspiceIV是一款優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)仿真軟件,它對(duì)LT公司的開(kāi)關(guān)電源控制IC及開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中常用的開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管、電感、電容、電阻等器件已建好了SPICE仿真模型,具有暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)仿真功能,能方便快速的仿真開(kāi)關(guān)電源電路中的電壓電流波形、各器件瞬時(shí)功耗波形、各器件的平均功耗及電路效率.本設(shè)計(jì)采用LT公司的LTspiceIV對(duì)電路進(jìn)行仿真.仿真的條件是:輸入12V,輸出16V.3.1本電路紋波電壓仿真根據(jù)Vout=0.8(1-RFB1/RFB2),令RFB1=19Ω、RFB2=1Ω、,則Vout=16V.調(diào)節(jié)好反饋電阻比值,使輸出電壓穩(wěn)定在16V.負(fù)載電阻Rload=4Ω時(shí),輸出電壓及輸出電流仿真波形如圖3所示.從圖3可以看出:輸出電壓電流在1ms后,達(dá)到穩(wěn)定.當(dāng)Rload=4Ω(即Rload=4A)和Rload=2Ω(即Rload=8A)時(shí),輸出電壓紋波分別如圖4和圖5所示.從圖4可知,Rload=4Ω(即Rload=4A)時(shí),輸出電壓紋波Vrtp≈0.1A.紋波電壓比Vrip/Vout=0.1/1.6≈0.625%.從圖5可知,當(dāng)Rload=2Ω(即Rload=8A)時(shí),輸出電壓紋波Vrtp≈0.2V.Vrip/Vout=0.2/1.6≈1.25%.由此可見(jiàn),①本電路紋波電壓比比較小;②隨著輸出電流的增大,輸出電壓的紋波也會(huì)增大.3.2負(fù)載電流對(duì)系統(tǒng)輸出電壓紋波的影響開(kāi)關(guān)電源通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓電流.當(dāng)Rload=8Ω(即Rload=2A)和Rload=2Ω(即Rload=8A)時(shí),輸出電壓紋波分別如圖6和圖7所示.從仿真波形可以看出,輸出負(fù)載電流增大時(shí),開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的占空比會(huì)增大.3.3開(kāi)關(guān)負(fù)載時(shí)多以恒壓深度作為節(jié)能方法DC-DC開(kāi)關(guān)電源的損耗有:MOSFET晶體管導(dǎo)通電阻和電感電容等效串聯(lián)電阻的損耗;MOS2FET開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通損耗和控制芯片工作電流帶來(lái)的損耗,后者在輕負(fù)載時(shí)占據(jù)比重很大.開(kāi)關(guān)管瞬時(shí)功耗如圖8所示.在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,一般都需要續(xù)流肖特基二極管.但是由于續(xù)流肖特基二極管的導(dǎo)通電阻比場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻略大,因此,在很多場(chǎng)合用高速場(chǎng)效應(yīng)管替代續(xù)流肖特基二極管.本設(shè)計(jì)中,也采用了高速場(chǎng)效應(yīng)管替代續(xù)流肖特基二極管.場(chǎng)效應(yīng)管上的瞬時(shí)功耗如圖9所示,長(zhǎng)的“功耗線”為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗,短的“功耗線”為開(kāi)關(guān)管柵極控制損耗.從圖8、圖9、圖10、圖11可以看出,瞬時(shí)功耗主要發(fā)生在開(kāi)關(guān)處.電感損耗如圖10所示,電容損耗如圖11所示.3.4電容的大小對(duì)電路效率的影響分別改變電感和電容的大小,測(cè)量一組與效率的關(guān)系數(shù)據(jù),分別如表1和表2所示.根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)可用圖形表示,分別用圖12和圖13所示.由圖12和圖13對(duì)比可知,電容大小對(duì)電路效率的影響較大,電感對(duì)電路的效率影響較小.因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別注意電容大小的選擇.此外,電感、電容的大小對(duì)紋波電壓的大小也有影響.負(fù)載電流與效率的關(guān)系如圖14所示.由圖14可知:脈沖寬度調(diào)制(PWM)在大負(fù)載下有很好的效率和良好的控制性能,但輕負(fù)載時(shí)損耗大,則效率低.4開(kāi)關(guān)負(fù)載電流的選擇是提高電路換采用LTspice能方便快速的仿真開(kāi)關(guān)電源電路中的電壓電流波形、各器件瞬時(shí)功耗波形、各器件的平均功耗及電路效率.開(kāi)關(guān)電源通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電