（测试计量技术及仪器专业论文）稳压电源计算机仿真技术的研究与应用.pdf

壬高西 手两要 进入2 l 世纪以来，随着电源技术的迅速发展和计算机应用的日益普及，利用计 算机对开关电源和线性稳压电源进行设计与仿真已成为国际上电源领域的一项新技 术。基于p c 的各种专用工具软件已成为设计与仿真稳压电源的强大工具。利用这些 软件不仅能完成稳压电源的优化设计，还能对稳压电源的电路进行仿真彻底改变 了依赖于人工计算、样机制作和调试的传统设计模式。如今，设计高效、节能型稳 压电源已不再是专业工程技术人员才能完成的任务。以软件作支撑，设计将不再困 难，即使初学者，通过学习和不断实践也能掌握这项高新技术，自行设计各种高性 价比的稳压电源，逐渐成为稳压电源设计的行家。 目前，新型稳压电源主要分两大类：一类是开关电源；另一类是低压差线性稳 压电源。而电源的仿真软件也分为两类：一类是厂家开发的专用的开关电源仿真软 件，如s w i t c h e r c a di i i ，p o w e r4 5 6 等；另一类是通用仿真软件，如p s p i c e ，i s p i c e ， m a t l a b 等。但是，目前的稳压电源仿真软件大部分都是针对开关电源所设计的， 还没有低压差线性稳压电源的专用仿真软件。而且，专用的仿真软件只能仿真集成 电路厂家自己生产的开关电源芯片，有很大局限性；而通用仿真软件则具有灵活性 强，适用范围广等优点。 论文首先对稳压电源的性能特点作了简介。然后重点研究了s w i t c h e r c a dh i 和 p s p i c e 两款仿真软件，并将这两款软件用在低压差线性稳压电源( l d o ) 的仿真上 加以比较，在给出仿真结果的同时，还通过实验加以验证，最后得出了具有参考价 值的结论：1 ) l d o 的设计与调试可以由仿真技术来代替；2 ) p s p i c e 的功能要强于 s w i t c h e r c a di i i 。 关键词仿真：p s p i c e ：开关电源；d c d c 变换器；l d o 河北科技大学硕士学位论文 g = 目_ 目自j 目e = 目目b 目_ 目l e ；目l _ e ；= 目_ 目= = 目= _ 目= _ i ii i - 目= = ；- l _ _ _ 目；口；i 目= 日目_ 自日j 目| = 口 a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e2 1 s t c e n t u r y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e r t e c h n o l o g ya n dt h eg r o w i n gp o p u l a r i t yo fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n s ，u s i n gc o m p u t e rt od e s i g n a n ds i m u l a t i o ns w i t c h i n gp o w e ra n dl i n e a rp o w e rs u p p l yh a sb e c o m ean e w t e c h n o l o g y t h es o f t w a r ef o rd e s i g na n ds i m u l a t i o nh a sb e c o m ea p o w e r f u lt o o lf o rp o w e rs u p p l y t h e s o f t w a r ec a nn o to n l yc o m p l e t et h eo p t i m i z a t i o no fp o w e r s u p p l y ，b u ta l s os i m u l a t et h e p o w e rs u p p l yc i r c u i t i tc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lm o d e lw h i c hi sr e l i a n c i n go nm a n u a lb a s i s ， t h e p r o d u c t i o no fp r o t o t y p ea n dd e b u g t o d a y , t h e d e s i g n o fh i g h l y e f f i c i e n t ， e n e r g y 。s a v i n gp o w e rs u p p l yi sn ol o n g e rat a s kw h i c ho n l yap r o f e s s i o n a le n g i n e e r i n gc a l l c o m p l e t e w i t ht h es o f t w a r es u p p o r t ，i ti sn o td i f f i c u l tt od e s i g n e v e nf o rb e g i n n e r so r e l e c t r o n i ce n t h u s i a s t s ，i ti s p o s s i b l et ob e i n gap o w e rs u p p l yd e s i g ne x p e r t st h r o u g h s t u d y i n ga n dp r a c t i c i n gt od e s i g n e dp o w e rs u p p l y p o w e rs u p p l y m a i n l yi n c l u d e st w ok i n d s ：o n ei ss w i t c h i n gp o w e r s u p p l ya n da n o t h e r i sl o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o rp o w e r t h es o f t w a r eo fs i m u l a t i o ni sa l s od i v i d e di n t ot w o g r o u p s ：o n ei sad e d i c a t e dp o w e rs u p p l ys i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s u c ha ss w i t c h e r c a d ， p o w e r4 - 5 - 6a n ds oo n ；a n o t h e ri sc o m m o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s u c ha sp s p i c e ，i s p i c c ， m a t l a b ，a n ds oo r h o w e v e r , t h em o s ts i m u l a t i o ns o f t w a r e sa r eu s e dt od e s i g ns w i t c h i n g p o w e rs u p p l y t h e r ei sn o tas o f t w a r ew h i c hi su s e dt od e s i g nl o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r p o w e r a tt h es a m et i m e ，ad e d i c a t e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ec a no n l ys i m u l a t et h e i ro w n p r o d u c t s ，a n dc o m m o ns i m u l a t i o ns o f t w a r ei sf l e x i b l e t h ea r t i c l ef i r s t i n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs u p p l y ，a n dt h e ni n t r o d u c e d t h es w i t c h e r c a di i a n dp s p i c e f i n a l l y ，t h el d oc i r c u i ti sd e s i g n e da n ds i m u l a t db y t h e s et w os o f t w a r e s ，a n dt h er e s u l t sa r eg i v e n ：o n ei st h ed e s i g na n dd e b u go fl d o c a nb e r e p l a c e db ys i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ；a n o t h e ri st h ef u n c t i o n so fp s p i c ei ss t r o n g e rt h a n s w i t c h e r c a di i i k e y w o r d s s i m u l a t i o n ；p s p i c e ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yd c d cc o n v e r t e r ；l d o ；- - i ：i l 科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：损超指导教师签名：夕彦灰学位论文作者签名：劫胜指导教师签名：夕笞反 7 o o $ 年l z 月g 日钞吃乒f 2 月多1 3 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 囱不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：捅超括导教师签名：夕。皱 2 汐0 7 年f 2 月ge t 乞彳汐孑年7 - y 莎日 第1 章绪论 第1 章绪论 稳压电源是各种电子设备的心脏，它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设 施及日常生活等领域。随着电子信息技术的飞速发展，特别是电子计算机技术应用 到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的电源供电。因此，对稳压电源 的性能就有了更高的要求。但是为使电源达到最佳性能指标，往往需要在设计的基 础上实际制作电源，并对样机进行反复调试，这是一项艰巨而复杂的工作，不仅费 时费工，还提高了研发成本。然而，计算机仿真能够在实际制作电源之前先进行模拟 仿真，降低了设计成本并且缩短了研发周期。因此，利用计算机仿真软件来设计稳 压电源并进行调试将成为一个趋势。 1 1 研究背景及国内外技术现状 1 1 1电源的创新与发展 电源是位于市电( 单相或三相) 与负载之间，能向负载提供优质电能的供电设 备是工业的基础。电源技术是种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代 电子技术、自动控制技术的多学科边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术 又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前 电源技术已逐步发展成为一门互相渗透的综合性技术学科。它对现代通信、电子仪 器、计算机、工业自动化、电力工程、国防提供高质量、高效率、高可靠性的电源 起着关键作用i 引。 当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的 变换和控制相关，电源技术能实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是 能实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此， 电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术发展的基础。电源 技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效 率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。如今电源已是非常 重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术。 1 1 2 仿真技术的发展 随着电源技术的飞速发展，各种新型的电路拓扑结构，各种新型的大功率元件 开关电源专用集成电路层出不穷，对工程技术人员的要求越来越高。如何在最短的 开发周期内开发出高质量、高效率、低成本的电源产品，是广大从事研制开发工作 的工程技术人员共同面对的挑战。为了迎接这种挑战，电源计算机仿真技术应运而 生，成为电源研制开发工作中的有力武器。利用计算机仿真来设计电源，不仅可充 1 河北科技大学硕十学位论文 分发挥高科技的优势，极大地减轻设计人员的工作量，提高设计效率，还可实现优 化设计。另外，在系统设计初期，由于实际系统不存在，为了验证设计思想的正确 性，最好的方法就是采用计算机仿真。 近几年来，电路分析和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。 电路设计采用计算机仿真技术对不同的设计方案迅速地进行模拟分析，并在电路形 式确定以后，对电路的元件参数进行灵敏度分析和容差分析，从而优化元件参数， 保证设计质量。目前，在电力电子的研究领域，越来越多的装置采用了计算机仿真 技术。计算机仿真技术将现代仿真技术与计算机结合起来，通过建立系统的数学模 型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验性研 究。在我国，系统仿真技术已在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，并取得重 大成果。随着微机的广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造、 造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用。 所谓计算机仿真，就是根据开关电源的实际电路建立数学模型，通过对数学模 型进行计算机分析( 含电路分析和波形分析) 和研究，达到与实际制作电源相同的 目的。 与传统的经验法相比，计算机仿真具有以下优点：1 ) 能提供整个计算机域内所 有相关变量完整详尽的数据；2 ) 不必进行系统实验；3 ) 可预测某特定工艺的变化 过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解；4 ) 在测量方法有困难的情 况下是惟一的研究方法。此外，数字仿真更具有高效率、高精度、可完成实际系统 难以进行破坏性或危险性的实验性研究等优点| 2 】。 1 2选题的目的、论文内容及意义 1 2 1稳压电源的介绍 为了提高电源转换效率、节省宝贵的能源，人们探索出两条途径：一条途径是 采用开关电源；另一条途径是选择低压差线性稳压器。 开关电源( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ，s m p s ) 被誉为高效节能型电源，它代表 着稳压电源的发展方向。而开关稳压器( s w i t c h i n gr e g u l a t o r ) 是开关电源的核心部 分。开关稳压器亦称d c d c 变换器，它属于高效率的供电装置，能将 一种直流电压变换成另外一种或几种直流电压。开关稳压器的功率级工作在开、关 状态，开关频率可达几百千赫至几兆赫。开关稳压器具有高效节能、经济实用等显 著优点，其电源效率可达9 0 以上，比传统的线性稳压器提高近一倍。 低压差线性稳压器简称l d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 。最初的l d o 是在2 0 世 纪8 0 年代问世的，其输入输出压差远低于传统的线性稳压器，适合构成高效率线性 稳压器、电池充电器、笔记本电脑的电源设备及小型计算机系统终端接口。准低压 2 第1 章绪论 差集成稳压器简称q l d o ( q u a s il o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) ，它是在2 0 世纪珠问世的， 其输入一输出压差介于普通线性稳压器与l d o 之间。近年来，随着现代科技的发展， 采用电池供电的便携式产品( 例如手机、m p 3 播放器) ，其主电源电压愈来愈低，芯 片工作在1 5 v 或更低电压上。由于开关稳压器难以在超低电压下工作，即使采用普 通的低压差稳压器也无法胜任此任务。在2 1 世纪初发展起来的超低压差线性稳压器 ( v e r yl o wd r o p o u tr e g u l a t o r ，简称v l d o ) ，可使上述难题迎刃而解。 1 2 2计算机仿真软件的介绍 目前稳压电源最常用的仿真软件有p o w e r4 5 6 、p s p i c e 、s w c a d i i i 、s i m p l i s 、 i s s p i c e 、s a b e r 、m a t l a b 等。s a b e r 仿真软件是美国a n a l o g y 公司推出的模拟及混 合信号仿真软件( 收费软件) ，被誉为全球最先进的系统仿真软件。s a b e r 仿真软件 具有原理图输入和数据可视化工具、大型混合信号和混合技术模型库以及强大的建 模语言和工具组合，可满足用户各种复杂的仿真需求。p o w e r4 - 5 6 是由美国r i d l e y e n g i n e e r i n g 公司开发的电源仿真软件，它在世界上拥有众多用户，是大型收费软件。 p o w e r4 5 6 是一个基于e x c e l ( 微软公司开发的表格处理软件) 的交互式软件包。 它具有开关电源的结构设计、反馈电路设计、高频变压器及电感器设计、大信号仿 真及小信号分析等功能。s w i t c h e r c a di i i ( 简称s w c a d i i i ) 仿真软件是美国凌特( l t ) 公司开发的一种开关电源仿真软件( 免费软件) 。该仿真软件的通用性很强，可处理 任意的仿真电路，它与那些只能对规定好的几种电路拓扑进行仿真的软件不同， s w c a d i 不是一般的集成电路仿真软件s p i c e ，而是包含了s p i c e 引擎及专门定义 的逻辑原语。利用这些原语可精确地对开关稳压器建模，允许对具有多种工作模式 的电路进行仿真，并能提供计算机电源效率的更精确算法。p s p i c e 是e d a 界著名的 m i c r o s i m 公司基于p s p i c e 2 标准发展而来的，p s p i c e 不仅能够灵活地仿真纯模拟或 纯数字电路，而且能高效地仿真模拟数字混合电路。这些软件都是设计某种仿真系 统的工具，有助于我们设计并优化的开关电源仿真系统。此外，进入2 1 世纪以来， 互联网已渗透到现代社会的各个领域。利用芯片厂家在网站上提供的大型专用工具 软件，能充分发挥互联网覆盖面宽、不受时间、地域限制的优势。因此，美国国家 半导体公司( n s c ) 于2 0 0 3 年在世界上率先推出了w e b e n c h 在线设计开关电源 的工具软件。它依托于n s c 公司的超级计算机，能实时处理鼠标移动和按钮点击并 采用工业标准s p i c e 来进行仿真。同时，w e b e n c h 还具有电路仿真和热仿真功能， 能确保仿真测试结果与实验数据相吻合。所以，在线设计电源也会是未来发展的一 个方向【3 1 。 3 第2 章开关稳压器的基本原理 第2 章开关稳压器的基本原理 开关电源被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向。而开关稳压 器是开关电源的核心部分。开关稳压器常用于非隔离式d c d c 变换器，利用它可将 一种直流电压转换成另一种或几种直流电压。开关稳压器在数字仪表、智能仪器、 测控系统及计算机内部的供电系统中应用十分广泛1 4 】。 2 1开关稳压器的工作方式和基本工作原理 2 1 1开关稳压器的工作方式 开关稳压器按控制原理来分类，有以下3 种工作方式： 1 )脉宽调制式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核 心是脉宽调制器。 2 )脉频调制式( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，简称p f m ) 脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核一c 、 是脉频调制器。 3 ) 混合调制式 是以上两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了 脉宽调制器和脉频调制器。 以上3 种工作方式统称为“时间比率控制”( t i m er a t i oc o n t r o l ，简称t r c ) 方 式。其中，以脉宽调制器的应用最为广泛。 2 1 2脉宽调制器的基本原理 脉宽调制式开关电源的工作原理如图2 1 所示。2 2 0 v 交流电首先经过整流滤 波电路变成直流电压研，再由功率开关管v t 斩波、高频变压器t 降压，得到高频 矩形波电压，最后通过整流滤波后获得所需要的直流输出电压。 脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、 断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。 锯齿波发生器用于提供时钟信号。利用误差放大器和p w m 比较器形成闭环调 节系统。输出电压经尺1 、尺2 取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同 相输入端的基准电压巩e f 进行比较，得到误差电压昕，再用研的幅度去控制p w m 比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使保持不变。阢 为锯齿波发生器的输入信号1 4 j 。 4 河北科技大学硕士学位论文 wo - - 输入 2 2 0 v 5 0 h z 龅vm l 。t v 乞占 u o 输出 嘲叫蒸 r i 凡2 图2 - 1 脉宽调制式开关电源的工作原理 f i g 2 - 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fp w ms w i t c h i n gp o w e r 令直流输入电压为阴，开关式稳压器的效率为瑁，占空比为d ，则功率开关管 的脉冲幅度砩= 瑁阢得公式 u d 一, t d u j ( 2 - 1 ) 这表明当孙矾一定时，只要改变占空比，即可自动调节值。自动稳压过程的波 形如图2 2 所示。当u o 由于某种原因而升高时，u r l _ d j ，- l 。反之，若降低， 则矾下叫d 下- t 。这就是自动稳压的原理。 图2 2 中，砺表示锯齿波发生器的输出电压，昕是误差电压，u p w m 代表p w m 比较器的输出电压。图2 2 c 是开关电源的输出波形。由图可见，当u o 降低时， 昕t _ d 下_ 下；反之，若因某种原因而升高，则所l _ d 【_ l 。 吣一除洲一珥 ” m e 二二，l 一。 图2 2自动稳压过程的波形图 f i g 2 2 a u t o m a t i cs t a b l ev o l t a g ew a v e f o r m 2 1 3开关电源的基本组成 开关电源由以下4 部分构成： 1 )主电路：从交流电网输入，到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干 扰滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整流滤波器。 5 数 第2 章开荚稳压器的基本原理 2 )控制电路：包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器。 3 )检测及保护电路：检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过 热检测等。保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、钳位保护、过 热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。 4 )其他电路：例如锯齿波发生器、偏置电路、光耦合器等。 2 2d c d c 变换器的拓扑结构及基本原理 2 2 1d c d c 变换器的1 7 种拓扑结构 d c d c 变换器主要有以下拓扑结构： 1 )降压式变换器( b u c kc o n v e r t e r ) ，亦称降压式稳压器； 2 )升压式变换器( b o o s tc o n v e r t e r ) ，亦称升压式稳压器； 3 ) 降压升压式变压器( b u c k b o o s tc o n v e r t e r ，亦称降压升压式稳压器) ，它 包含极一陛反转( i n v e r t i n g ) 式变换器； 4 )升压升压串联式变换器( c u kc o n v e r t e r ) ； 5 ) 单端一次侧电感式变换器，简称s e p i c ( s i n g l ee n d e dp r i m a r yi n d u c t o r c o n v e r t e r ) ； 6 ) 反激式( 亦称回扫式) 变换器( f l y b a c k r dc o n v e r t e r ) ； 7 )正激式变换器( f o r w a r dc o n v e r t e r ) ； 8 )双开关正激式变换器( 2s w i t c hf o r w a r dc o n v e r t e r ) ； 9 )主动钳位正激式变换器( a c t i v ec l a m pf o r w a r dc o n v e r t e r ) ； 1 0 )半桥式变换器( h a l fb r i d g ec o n v e r t e r ) ； 1 1 )全桥式变换器( f u l lb r i d g ec o n v e r t e r ) ； 1 2 ) 推挽式变换器( p u s h p u l lc o n v e n e r ) ； 1 3 )相移开关式零电压变换器，简称p h a s es h i f ts w i t c h i n gz 、，t ( p h a s es h i f t s w i t c h i n gz e r ov o l t a g et r a n s i t i o n ) ； 1 4 )零电流d c d c 变换器，简称z v s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gc o n v e n e r ) ； 1 5 )软开关变换器( s o f ts w i t c h i n gc o n v e r t e r ) ； 1 6 ) 复合式稳压器，由d c d c ( 或a c d c ) 变换器和低压差线性稳压器( l d o ) 构成； 1 7 )可编程稳压器，由数字电位器和d c d c 变换器构成。 2 2 2d c d c 变换器的基本原理 下面主要介绍几种常用的变换器的基本原理。 降压式变换器亦称b u c k 变换器，是最常用的一种d c d c 变换器。降压式d c d c 变换器的基本原理如图2 3 所示。变换器可用开关s 来等效。 6 河北科技大学硕士学位论文 皇 盘昌；胄置瞄墨= 目_ 墨昌皇墨皇= 霉昌昔昌昌暑昌胃阜昌皇盲昌= = 昌；= = 昌= = = 昌昌昌= 搴= 昌暑皇篁皇霉皇葛i 昌暑瞄昌= _ 宣冀矗昌葛置昌= 宣l + “ - 一一 i 高一) - v ( + ) l + i - - 1 v dz妄 c + 珥 图2 3降压式d c d c 变换器的基本原理 f i g 2 3 t h e p r i n c i p l eo fb u c kd c d co c 3 n v c r t e r 当s 闭合时除向负载供电之外，还有一部分电能储存于二、c 中，上上的电压为 巩，其极性是左端为正、右端为负，此时续流二极管v d 截止。当s 断开时，三上 产生极性为左端负、右端正的反向电动势，使得v d 导通，工中的电能传送给负载， 维持输出电压不变，并且 u i ，故称之为升压式， 7 第2 章开关稳压器的基本原理 它具有提升电压的作用。观为电感l 上的压降。 3 )输出电压与输入电压的极性相同。 反激式d c d c 变换器的基本原理如图2 5a 、b 所示。矾为直流输入电压， 图2 - 5反激式d c 肋c 变换器的基本原理 a ) 功率开关管导通时储存能量b ) 功率开关管关断时传输能量 f i g 2 5 t h ep r i n c i p l eo ff l y b a c k r dd c d cc a 3 n v e r t e r a ) s a v ee n e r g yw h e ns w i t c h - o nb ) r e l e a s ee n e r g yw h e ns w i t c h o f f 为直流输出电压，t 为高频变压器，p 为一次绕组，s 为二次绕组。v 为功率开 关管m o s f e t ，其栅极接脉宽调制信号，漏极( 驱动端) 接一次绕组的下端。v d 为输出整流二极管，c 为输出滤波电容。在脉宽调制信号的正半周时v 导通，一次 侧有电流昂通过，将能量储存在一次绕组中。此时二次绕组的输出电压极性是上端 为负、下端为正，使v d 截止，没有输出，如图a ) 所示。负半周时v 截止，一次侧 没有电流通过，根据电磁感应的原理，此时在一次绕组上会产生感应电压u o r ，使 二次绕组产生电压洮，其极性是上端为正、下端为负，因此v d 导通，经过v d 、c 整流滤波后获得输出电压，如图b ) 所示。由于开关频率很高，使输出电压( 亦即滤 波电容两端的电压) 基本维持恒定，从而实现了稳压目的。 反激式d c d c 变换器主要有以下特点： 1 )高频变压器一次绕组的同名端与二次绕组的同名端极性相反，并且一次绕 组的同名端接矾的正端，另一端接功率开关管的驱动端。 2 )当功率开关管导通时，将能量储存在高频变压器中；当功率开关管截止时 再将能量传输给二次侧。高频变压器就相当于一个储能电感，不断地储存能量和释 放能量。 3 )反激式d c d c 变换器不能在输出整流二极管与滤波电容之间串联低频滤 波电感，否则无法正常工作。 4 )反激式d c d c 变换器既可构成交流输入的a c d c 变换器，亦可构成直流 输入的d c d c 变换器。 5 )允许设计成单路或多路输出式d c d c 变换器，并且输出电压的极性可以 8 河北科技大学硕士学位论文 和输入电压的极性相反。 6 )反激式d c d c 变换器可工作在连续模式( 二次绕组电流总大于零) 或非 连续模式( 在每个开关周期结束时二次绕组的电流降至零) 。 反激式d c d c 变换器有两种类型，一种是非隔离式，另一种为隔离式。非隔离 反激式d c ，d c 变换器的简化电路如图2 - 6a ) 所示。从功率开关管m o s f e t 的栅极 上加入p w m 调制信号。当功率开关管导通时，输入电压加在电感l 上，伎电流沿 斜坡上升，并在电感中存储能量。当功率开关管关闭时，电感电流经过整流二极管 v d 向输出电容c 和负载尺l 供电。 隔离反激式d c d c 变换器的简化电路如图2 - 6b ) 所示，其工作原理与非隔离 式类似。区别只是利用高频变压器起到隔离作用，并且用一次侧绕组来代替储能电 感l 。 p w m 图2 - 6 非隔离、隔离反激式d c d c 变换器的两种类型 f i g 2 6n o n - i s o l a t e da n di s o l a t e df l y b a c k r dd c d cc o n v c f t c r 正激式d c d c 变换器的基本原理如图2 7 所示。v d l 为整流二极管，v d 2 为 v d il j - 1 气 2s v d ， 吐- i - l l f 图2 7 正激式d c 仍c 变换器的基本原理 f i g 2 7t h ep r i n c i p l eo ff o r w a r dd c d cc o n v c r t c f 续流二极管，l 为具有储能作用的滤波电感。其工作原理是当功率开关管导通时， v d l 导通，除向负载供电之外，还有一部分电能储存在l 和c 中，此时v d 2 截止。 当功率开关管关断时，v d l 截止，v d 2 导通，储存在l 中的电能就经过由v d 2 构成 9 第2 章开关稳压器的基本原理 - _ _ _ - _ ；_ = 目j - _ _ l - l j - _ - l - _ - _ _ t = = ；= = = = = = = = = j _ j _ l _ 目= = = = = = ；= = = = = = ；= 目i i i i i i 目_ _ - l 目_ l _ l _ _ l - _ - i _ i _ 自- i _ _ = 自j ； 的回路向负载供电，维持输出电压不变。 正激式d c d c 变换器主要有以下特点： 1 ) 一次绕组的同名端与二次绕组的同名端极性相同，并且一次绕组的另一端 接功率开关管的驱动端。 2 )当功率开关管导通时，高频变压器传输能量，在高频变压器上基本不储存 能量。 3 ) 正激式d c d c 变换器必须在输出整流二极管与滤波电容之间串联滤波电 感，该滤波电感还能起到储能作用，因此亦称储能电感。 4 )正激式d c d c 变换器适合构成低压、大电流输出的d c d c 变换器。 2 3 ：z l s ：章小结 要对稳压电源进行仿真，必须首先了解稳压电源的特性、原理及应用，因此， 在这一章中对稳压电源的性能特点及工作原理作了介绍，为稳压电源的计算机仿真 打下了基础。 1 0 第3 章s w i t c h e r c a di i i 软件的简介及应用 第3 章s w i t c h e r c a di i i 软件的简介及应用 s w i t c h e r c a dh i 是l t 公司推出的第三代开关稳压器设计与仿真软件。该软件包 含了s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ，集成电路仿真软件) 仿真器、电路图编辑器和波形浏览器，可对各种d c d c 变换器进行快速仿真f 5 1 。 3 1s w i t c h e r c a d i 仿真软件的功能简介 1 )s w i t c h e r c a di i i 是一款高性能、开放式仿真器，具有电路图编辑器和波形 浏览功能。l t 公司的s w i t c h e r c a di l l 的工作性能比标准的s p i c e 仿真器有大幅度 提高。其仿真速度快，用户只需几分钟即可完成开关稳压器的波形仿真。 2 )s w i t c h e r c a di i i 集成了一个稳定的、带高级分析和仿真选项的快速s p i c e 电路仿真器，借助于图形编辑器对宏模型进行设计。具有电路图及符号编辑器、波 形浏览器和无源器件库，允许电路图有无限个节点。 3 ) 在s w i t c h e r c a dm 的数据库中，不仅包含了l t 公司生产的多达5 0 0 种开 关稳压器芯片、1 1 0 0 多种宏模块和1 0 0 个演示电路，还包含运算放大器模型、电阻 器、晶体管、m o s f e t 等多达2 0 0 余种有源及无源器件。 4 )利用该软件不仅能创建新的开关稳压器电路原理图，还能演示各种开关稳 压器的电路及绘制仿真波形。若利用开关电源芯片选择向导工具，软件即可根据用 户设定的电源规格，自动选择合适的芯片并完成电路设计和波形仿真，用户还可随 时修改设计。 5 )该软件能精确地计算电路图中各点的电流和电压的平均值、有效值；还能 精确计算瞬时功率损耗和平均功率损耗，并给出d c d c 变换器的电源效率报告。 6 ) 具有多种电路图编辑功能。 7 )该软件采用新的、更加精确的方法来计算d c d c 变换器的效率，改方法 是以电路元件中所储存的能量，通过逐周期的连续比较来完成计算的。 8 ) 使用简便。 3 2s w i t c h e r q 如的工作模式 s w i t c h e r c a di l l 有以下5 种工作模式： 1 ) 根据用户设定的电源规格，运行一个电路。其菜单按钮顺序为“f i l e - * s w i t c h s e l e c t o rg u i d e ”。利用开关稳压器芯片选择向导，运行一个电路。 2 ) 运行应用笔记或演示板( a p p l i c a t i o nn o t e & d e m o b o a r d ) 中的一个电路。 菜单按钮顺序为“f i l e - - , d e m os m p sc i r c u i t s ( 运行开关电源电路) ”。 3 )运行s w i t c h e r c a d 软件自带的一个开关电源示例电路。菜单按钮顺序为 】 河北科技大学硕士学位论文 “f i l e - - o p e n - - * e x a m p l e s - * s m p s ”。打开示例文件( o p e na ne x a m p l e sf i l e ) ，首先选择 一种开关电源拓扑结构，然后选择某个示例电路。 4 )将s w i t c h e r c a d1 i i 作为一个带集成仿真器的通用电路图输入工具，自行 绘制一个开关电源电路。其菜单按钮顺序为“f i l e - * n e w 或f i l e - - - ，o p e n ”，可打开文件 类型为a s c 文件。 5 )利用s w i t c h e r c a di 对手工或其他电路图输入工具生成的网络表进行仿 真。菜单按钮顺序为“f i l e - - - * o p e n ”。可打开文件类型为c i r 文件。 采用前三种工作模式，用户不需要了解s p i c e 的任何知识即可完成仿真工作。每 种仿真类型电路都包含隐藏的起始条件信息。用户可修改电路并重新仿真，但是修 改的太多可能导致仿真失败。这些仿真都需要自动检测开关电源的稳定状态。这已 写到模型中。一旦误差电流降低并保持在零值附近时，就通过记录来进行检测。运 行在该模式下的电路图文件扩展名为 a p p ”。 采用后两种工作模式时，所有的s p i c e 命令都是用户可见的，并且有一个菜单 项，用来编辑仿真命令。用户可直接使用s p i c e 完成仿真。运行在该模式下的文件 扩展名必须为 a s c ”。 。 所有的工作模式最终都会把电路文件转换成文本的s p i c e 网络表文件。网络表 文件通常是从电路图文件中提取出来的。但也可不用电路图文件，直接导入一个网 络表文件。这样做有以下用途：1 ) 利用l t 公司的滤波器计算机辅助设计( f i l t e r c a d ) 工具可生成一个网络表，用来进行时域特性或频响特性的仿真；2 ) 可简化对l t s p i c e 的标定；3 ) 带有s p i c e 的专业版仿真器，可直接使用文本的网络表1 7 j 。 3 3s w i t c h e r c a di 仿真软件的电路图编辑功能 ( 1 ) 基本电路图编辑 电路图输入程序用于创建新的电路图或对软件提供的演示电路图进行修改。电 路图文件的大小和层的深度只受计算机资源的限制。 该软件带有大约8 0 0 个符号，这些符号覆盖了l t 公司的绝大部分电源芯片、运 算放大器、比较器和许多其他通用元器件。电路图输入面板如图3 - 1 所示。 该软件是专门为s p i c e 仿真而设计的，这是它与其他电路图输入程序的主要区 别。这意味着如果在某个器件上点击鼠标，默认的操作就是在波形浏览器上标绘出 该点所在导线上的电压或该元件上流过的电流：而不象其他电路图输入工具那样先 选中该元件，再进行编辑。因此，如果要进行移动、旋转、拖动或删除等操作。就 必须先选择该命令，然后再点击需要操作的元件。这样，就可以输入电路图，并可 以对电路进行修改。 下面就对编辑菜单中的各条命令进行说明。 1 2 篁：兰! ! ! ! 生：! 竺里茎! ! ：竺塑坌墨璧型 e 目 ；删 ” j 銎 ：= r 辛、；= ：， 酗3 - 1 电路图输入面板 f 培3 1a 唧i t i n p u t 芦n e i v t u 编辑菜单中各条命令的意义如下： 撒消：撤消上一次命令。 重复：重复上一次命令。 文本：在电路图中放置文本，这些文本仅作为电路图的注释信息，没有电气特 性。 s p i c e 指示：在电路图上放置能包含到网络表的文本。这可将电路图输入和 s p i c e 网络表结合起来。 s p i c e 分析：“进，v 编辑仿真”命令。 电阻；在电路图上放置一个电阻器符号。 电容：在电路图上放