基于Multisim的升压直流稳压电源的仿真

基于基于MultisimMultisim的升压直流稳压电源的仿真的升压直流稳压电源的仿真 摘摘 要要 开关电源是利用现代电力电子技术 控制开关管开通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源一般由脉冲宽度调制 PWM 控制 IC 和 MOSFET 构成 本次设计选择的是 Boost 升压直流斩波电路 升压直流斩波电路可以分为 两部分电路块 分别为主电路模块 控制电路模块 主电路模块 主要由全控 器件的开通与关断的时间 占空比 来改变输出电压 U 的大小 控制电路模块 可用一个 UC3842 芯片来触发产生一个 PWM 的控制脉冲来控制全控开关的开 通与关断 为简化 Boost 变换器的电路设计 应用 Multisim 对 Boost 变换器进行建模 并对全部工作过程进行仿真和分析 根据电路测试显示 电路性能能够很好地 满足输出电压的设计要求 并达到了最终升压的目的 从而表明仿真结果正确 关键词 开关电源 双闭环控制 电流模式控制 PWM 反馈 Multisim ABSTRACT Switching power supply is the use of modern electronic technology the control switch turn on and turn off time ratio maintaining the stability of the output voltage of a power supply switching power supply is usually consists of pulse width modulation PWM control of IC and MOSFET This design choice is Boost step up DC chopper circuit a boost DC chopper circuit can be divided into two parts of the circuit block The main circuit module respectively a control circuit module The main circuit module mainly by the control device turn on and turn off time duty cycle to change the output voltage U size The control circuit module a UC3842 chip to trigger a PWM control pulse to control the switch turn on and turn off In order to simplify the Boost converter circuit design application of Multisim to Boost converter is modeled and the entire working process simulation and analysis According to the circuit test shows that the performance of the circuit can well meet the requirements of output voltage and reached the final boosting is achieved thereby indicating that the simulation result is correct Key words Switch power supply Double loop control Current mode feedback control PWM Multisim 目录 1 电源设计的拟定 1 1 1 前言 1 1 1 1 课题的来源 3 1 1 2 课题研究的目的和意义 5 1 2 论文的主要内容 5 1 2 1 开关电源 5 1 2 2 课题的基本思路 6 1 2 3 几个假定条件 6 2 DC DC 升压斩波变换器的原理分析及设计 7 2 1 概述 7 2 1 1 电路结构 7 2 2 工作模态分析及相关理论推导 8 2 2 1Boost 升压斩波电路有电感电流分析 8 2 3 控制电路模块 10 2 3 1 电流型 PWM 控制实现的几种方案 10 2 3 2 手段 12 2 3 3 技术路线 13 2 3 4 可行性论证 13 2 4 电流型 PWM 升压变换器控制芯片设计 13 2 4 1 UC3842A UC3843A 中文资料 13 2 4 2 本次设计所采用的 UC3842 芯片的特点 14 2 4 3 由 UC3842 控制的 Boost 拓扑结构 15 2 5 主电路参数计算 16 2 5 1 电感值的确定 16 2 5 2 输出电压取样电阻 R2 R3 值的确定 17 2 5 3 开关管 S 17 2 5 4 输出二极管 D 和输出电容器 C7 的确定 17 2 5 5 UC3842 频率的计算 18 2 5 6 保护电路 18 3 电路仿真与测试 19 3 1 仿真 multisim 软件介绍 19 3 1 1 Multisim 概貌 20 3 1 2 Multisim 对元器件的管理 22 3 1 3 输入并编辑电路 22 3 1 4 虚拟仪器及其使用 24 3 2 实验仿真和波形分析 24 3 2 1 当没有集成控制芯片 UC3842 时的主电路仿真 24 3 2 2 当有集成控制芯片 UC3842 时的主电路仿真 25 总 结 29 致 谢 30 参考文献 31 1 1 电源设计的拟定电源设计的拟定 1 1 前言前言 一般情况下 电源要经过转换才能合乎电子系统使用的需要 如 AC DC 转换器 多年来在 AC DC 转换器中线性电源被广泛使用 其中的一个原因是 由于它的电路简单 用到的元件少 价格便宜 电路通常由变压器 桥堆和电 容组成 变压器把 220V 的交流电压降到合适的电压 经过四个二极管组成的 桥堆得到初步的直流电源 再经过电容滤波 就是一个简单的线性电源了 线性电源的主要问题在于 输出精度低 效率低 散热问题大以及很难在 一个通用的输入电压范围内工作 但最大的缺陷还是在体积和重量上 前面提 到通过调整器可以使输出精度增加 但这更增加功率消耗 并使效率更低线性 电源要达到50 的效率就不容易了 而这些消耗掉的无用功还带来散热问题 如果使线性电源在一个通用输入电压范围内 85V 265V AC 工作 会导致线性 电源的效率更低 而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少麻烦 因为他们不得不准备很多规格的电源 一般来说 凡用半导体功率器件作为开关 将一种电源形式转换成另一种 电源形式的主电路都叫做开关变换电路 转换时采用自动控制的闭环电路来稳 定输出并有各种保护环节的称为开关电源 Switch Power Supply DC DC 转换 器发展至今 已出现了许多类型 从开关种类来分 有硬开关和软开关 从工 作方式分 有 PWM 脉冲宽度调制 和 PFM 脉冲频率调制 两类 现在占主要地 位的是 PWM 型转换器 所以本文也主要讨论此类转换器 从拓扑结构分 有 隔离和非隔离两大类 非隔离转换器主要有 Buck 降压型 Boost 升压型 Buck Boost Cuk 转换器 罗氏转换器等 而隔离转换器则有正向隔离转换器 逆向隔离转换器 推挽隔离转换器等 开关电源中主要的组成部分有 PWM控制器 功率开关管 变压器和反馈 电路 它的输入部分由桥堆和输入电容组成 产生的未经调整的直流电压进入 到变压器的原边 然后耦合到变压器的副边 通过在副边的反馈电路 把输出 电压 或电流 的变化反馈到PWM控制器上 而PWM控制电路根据反馈回来电压 或电流 值的大小来决定功率MOSFET开 关时间的长短 从而将输出电压 或 电流 维持在一个稳定的值上 也就是说 通过快速的开 关功率管 由 MOSFET开 关时间的长短即占空比来调整存在变压器原边的能量 提供个持 续的稳定的输出电压 根据反馈电路的不同 输出精度也不同 一般可达士 1 5 左右 虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁 但是早期的开关电源除了PWM 控制器和功率开关管外 还包括大概40到80个分立元件构成一些辅助电路一 这不但增加了成本和体积 而且还使可靠性受到了影响 所以从提高开关电源 的竞争力来说 提高控制电路 保护电路的可集成性 使电源系统的设计简单 化成为一个关键的问题 多年来 由于技术上的障碍 高压 大功率 开关电源集成电路在集成化上 一直得不到很大的进步 但是最近几年 大规模和超大规模集成电路技术的迅 猛发展 能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合 出现 了一批全新的全控型功率器件 首先是功率MOSFET的问世 导致了中小型功 率电源向高频化发展 而后绝缘门极双极晶体管 IGBT 的出现 又为大中型功 率电源向高频发展带来机遇 因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步 提高开关电源的性能和安全性 这包括热关断电路 限流电路 过 欠压保护 电路等等 与线性电源相比 开关电源输出精度高 转换效率高 性能可靠 除此之外 开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重量 这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到lMHz的高频条件下 而不是像线性 电源中的那样工作于50Hz的低频状态 因此缩小了变压器的体积和重量 而这 也就缩小了整个电子系统的体积和重量一 理论分析和实践经验表明 电气产 品的变压器 电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比 如果把工 作频率从工频50Hz提高到20KHz 提高400倍 用电设备的体积和重量可以下降 至工频设计的5 10 其主要材料可节约90 或更高 可节电30 或更多 一般说来 开关电源的重量是线性电源的l 4 相应的体积大概是线性电源 的1 3 因此 开关电源代替线性电源是大势所趋 开关电源就是利用电子开关器件 如晶体管 场效应管 可控硅闸流管等 通过控制电路 使电子开关器件不停地 接通 和 关断 让电子开关器 件对输入电压进行脉冲调制 从而实现 DC AC DC DC 电压变换 以及输出电 压可调和自动稳压 开关电源一般有三种工作模式 频率 脉冲宽度固定模式 频率固定 脉 冲宽度可变模式 频率 脉冲宽度可变模式 前一种工作模式多用于 DC AC 逆 变电源 或 DC DC 电压变换 后两种工作模式多用于开关稳压电源 另外 开 关电源输出电压也有三种工作方式 直接输出电压方式 平均值输出电压方式 幅值输出电压方式 同样 前一种工作方式多用于 DC AC 逆变电源 或 DC DC 电压变换 后两种工作方式多用于开关稳压电源 调制方式一般是说对开关管的控制方式 通常用的有 PWM PFM PSM 两种 PWM 是脉冲宽度调制 这种方式是对开关管的 Ton 时间进行调制 具体 来说是反馈电阻对输出电压进行采样 将采样记过 Vfb 与内部基准源 Vref 比较 判断 当 Vfb Vref 超过基准源 则减小 Ton 若 Vfb Vref 则增大 Ton PFM 是脉冲频率调制 这种模式在为了提高在轻载或者空载情况下电源的 效率 在轻载或者空载时候 负载需要的电流非常小 反馈电压还没有低于 Vref 开关管还不需要导通 但是 PWM 内部是固定的时钟频率触发器 在一个 周期内总会有一次开关 这个开关会产生损耗 而实际上是毫无必要的 而在 PFM 模式下 当负载低于一定条件 系统直接降低固定时钟的工作频率 从而 减少开关损耗 提高效率 PSM 是跨周期调制 Pulse Skip Modulation 在轻载情况下 系统触发器会 隔一段时间 忽略一些触发信号 形成一种跳跃模式 最终的目的也是减少无 必要的开关周期 提高效率 本次设计采用 PWM 调制 Boost 变换电路 它是一种升压型 DC DC 变换器 其输出电压平均值要 o U 大于输入电压 E 主要用于开关稳压电源 直流电机能量回馈制动中 同样根 据功率开关器件 VT 的开关频率 储能电感 L 滤波电容 C 的数值 电感电流 或负载电流可能连续或断续 此时变换器的特性不同 需分开讨论 L i o i 1 1 1 课题的来源课题的来源 自六十年代起 第一台开关电源问世以来 开关电源在世界各国迅速发展 直流稳压电源也顺势而生 但在初期价格较高 直到八十年代 随着元件工艺 的成熟 直流稳压电源的价格也日益下降 应用也变的日益广泛 近几年随着 科技的发展 直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千 赫 甚至更高 现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域 对此的 研究开始向高频方面发展 以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转 向高频下电源的拓扑理论 工作原理 建模分析方法和高频大功率开关器件 高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展 我国在此方面的起步较晚 1973 年才开始这方面的研究工作 现在主要在小功率单端变换器方面发展较为 迅速 在功率半导体器件及控制集成化方面 与国外同类产品有这很大的差距 因此 直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距 近年来 随着微机 中小型计算机的普及和航空航天数据通信 交通邮电等事业的讯速 发展 以及为了各种自动化仪器 仪表和设备配套的需要 当代对电源的需要 不仅日益增大 而且对电源的性能 效率 重量 尺寸和可靠性以及诸如程序 控制 电源通 断 远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求 对于这些 要求 传统的线性稳压电源无法实现 和线性稳压电源相比 稳压电源具有以 下的一些优越性 1 效率高 2 稳压范围宽 3 体积小重量轻 4 安全可靠 直流稳压电源最基本的应用遍布于我们的生活中 笔记本电脑 MP3以及 很多数码产品的电源充电器都属于稳压电源 大部分电子产品的外置电源也是 稳压电源 业余电台爱好者必备的 为家中固定电台供电的 13 8V 电源更是典 型的稳压电压 直流稳压电源为我们使用电台提供了一个稳定的低压直流源 直流稳压电源的意义在于可以替代电池提供稳定 可控的直流电源 其输 出的电压稳定程度要优于普通电池 稳压电源输出电压易于控制 可满足各种 应用的需要 通常 用于实验和维修的稳压电源都安装有电压和电流表指示装 置 以实时监控电源输出状态 使用起来比临时用万用表测量供电电压和电流 方便实用得多 不少多功能的稳压电源还具备恒流源功能 电压跟踪功能 可 调过流保护功能等 进一步扩展了稳压电源的应用 开关电源的设计要求有非常高的效率 高效率减少了能量在传递过程中的 损失 最理想的情况是输入端的能量完全传递到输出端 在开关电源内部不损 失任何的能量 然而 在实际设计过程中是不可能实现的 这涉及到各种元件 的性能和设计电路的布局 如果电源内部出现较大的损失 这部分的能量将会 转化为热能损耗在元器件上 倘若开关电源的设计缺少了散热系统或者散热系 统出现工作不良的情况 这将会影响到开关电源的长时间工作 从而缩短了电 源的寿命 也会增加了电源的不稳定性 但是巨大的散热部件阻碍了开关电源 向小型化的发展 其中在小型开关电源或手持设备的应用中尤为明显 其次 这也违背了当代节约能源的理念 因此电子设备的功耗也规定了硬性的指标 2009 年我国开始实施的节能评价值为待机能耗 1W 能效指数为 0 75 所以提 高开关电源的效率已成为各个产品必须满足的一项技术指标 开关电源的应用领域中小型化和集成化的需求越来越高 例如笔记本电脑 的电源系统 不仅需要完成充电控制 还需要完成对微处理器和硬盘供电的降 压处理 以及对屏幕供电的直流交流变换等 这就要求所有的功能都尽可能在 较小的体积中完成 因此 小型化是开关电源的另一个发展方向 开关电源产品广泛应用于工业自动化控制 军工设备 科研设备 LED 照 明 工控设备 通讯设备 电力设备 仪器仪表 医疗设备 半导体制冷制热 空气净化器 电子冰箱 液晶显示器 LED 灯具 通讯设备 视听产品 安防 电脑机箱 数码产品和仪器类等领域 1955 年美国罗耶 GH Roger 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变 换器 是实现高频转换控制电路的开端 1957 年美国查赛 Jen Sen 发明了自 激式推挽双变压器 1964 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源 的设想 这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径 到了 1969 年由 于大功率硅晶体管的耐压提高 二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善 终 于做成了 25 千赫的开关电源 目前 开关电源以小型 轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机 为主导的各种终端设备 通信设备等几乎所有的电子设备 是当今电子信息产 业飞速发展不可缺少的一种电源方式 目前市场上出售的开关电源中采用双极 性晶体管制成的 100kHz 用 MOS FET 制成的 500kHz 电源 虽已实用化 但 其频率有待进一步提高 要提高开关频率 就要减少开关损耗 而要减少开关 损耗 就需要有高速开关元器件 然而 开关速度提高后 会受电路中分布电 感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声 这样 不仅会影响周 围电子设备 还会大大降低电源本身的可靠性 其中 为防止随开关启 闭所发 生的电压浪涌 可采用 R C 或 L C 缓冲器 而对由二极管存储电荷所致的电流 浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器 不过 对 1MHz 以上的高频 要采 用谐振电路 以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波 这样既可减少开 关损耗 同时也可控制浪涌的发生 这种开关方式称为谐振式开关 目前对这 种开关电源的研究很活跃 因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可 以在理论上把开关损耗降到零 而且噪声也小 可望成为开关电源高频化的一 种主要方式 当前 世界上许多国家都在致力于数兆赫兹的变换器的实用化研 究 1 1 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 传统的开关电源采用模拟电路控制 其局限性有 1 控制电路复杂 使 用元器件多 可靠性降低 2 控制电路硬件设计随控制方法变动 3 因硬 件局限性 一些先进的控制方法因无法用模拟电路实现或实现起来非常困难而 不能采用 开关电源实现数字化控制可带来以下好处 1 数字控制易于采用先进的 控制方法和智能控制策略 可以从根本上提高系统的性能指标 2 控制系统 灵活 缩短了设计周期 3 控制电路的元器件数量明显减少 缩小了控制板 体积 提高了系统的抗干扰能力 4 控制系统的可靠性提高 易于标准化 5 系统的一致性较好 成本低 生产制造方便 本次设计主要是为了掌握开关电源的工作原理 了解 PWM 控制电路的原 理及其常用的集成芯片 并学会运用 Multisim 软件对一些基本的电路进行仿真 实验 1 2 论文的主要内容论文的主要内容 1 2 1 开关电源开关电源 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止 将直流电转 化为高频率的交流电提供给变压器进行变压 从而产生所需要的一组或多组电 压 转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比 50HZ 高很多 所以开关变压器可以做的很小 而且工作时不是很热 成本很低 如 果不将 50HZ 变为高频那开关电源就没有意义 开关电源的工作流程是 电源 输入滤波器 全桥整流 直流滤波 开关管 振荡逆变 开关变 压器 输出整流与滤波 1 交流电源输入经整流滤波成直流 2 通过高频 PWM 脉冲宽度调制 信号控制开关管 将那个直流加到开关变压器 初级上 3 开关变压器次级感应出高频电压 经整流滤波供给负载 4 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 控制 PWM 占空比 以达到稳定输 出的目的 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西 过滤掉电网上的干扰 同时 也过滤掉电源对电网的干扰 在功率相同时 开关频率越高 开关变压器的体积 就越小 但对开关管的要求就越高 开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕 组有多个抽头 以得到需要的输出 一般还应该增加一些保护电路 比如空载 短路等保护 否则可能会烧毁开关电源 主要用于工业以及一些家用电器上 如 电视机 电脑等 1 2 2 课题的基本思路课题的基本思路 本次设计的电路主要分为主电路和闭环控制电路 其中 1 先设计主电路和控制电路 2 运用 Multisim 软件对所设计的电路进行调试和仿真 3 完成毕设设计实验报告 1 2 3 几个假定条件几个假定条件 为简化分析过程 特作出以下几点假设 1 开关晶体管 二极管均为理想元件 即可以快速的 导通 和 截止 而且导通时压降为零 截止时漏电流为零 2 电感 电容均为理想元件 电感工作在线性区而未饱和 寄生电阻为 零 电容的等效串连电阻为零 3 输出电压中的纹波电压与输出电压相比小到可以忽略 4 电路己进入稳态 2 DC DC 升压斩波变换器的原理分析升压斩波变换器的原理分析及设计及设计 2 1 概概述述 直流升压斩波电路可以分为两部分电路块 分别为主电路模块 控制电路 模块 主电路模块 主要由全控器件的开通与关断的时间 占空比 来改变输 出电压 U 的大小 控制电路模块 可用一个 UC3842 芯片来触发产生一个 PWM 的控制脉冲来控制全控开关的开通与关断 2 1 1 电路结构电路结构 Boost 主电路结构图主电路结构图 升压斩波电路 Boost Chopper 的结构图图如图 2 1 所示 L E VT VD C R 0 u 0 i L u 1 i t t 0 0 1 I 0 i GE i a b 图 2 1 升压斩波电路及其工作波形 a 电路图 b 波形 工工作作原原理理 1 当 VT 导通时 电源 E 向串在回路中的电感 L 充电 电感电压左正 右负 而负载电压上正下负 此时在 R 与 L 之间的二极管 VD 被反偏截止 由 于电感 L 的恒流作用 此充电电流为恒值 另外 VD 截止时 C 向负载 R 放 1 I 电 由于 C 已经被充电且 C 容量很大 所以负载电压保持为一恒值 记为 o U 设 VT 的导通时间为 则此阶段电感 L 上的储能可以表示为 on t 1 on EI t 2 在 VT 关断时 储能电感 L 两端电势极性变成左负右正 VD 转为正 偏 电感 L 与电源 E 叠加共同向电容 C 充电 向负载 R 供能 如果 VT 的关断 时间为 则此时间内电感 L 释放的能量可以表示为 off t 01 off UE I t 2 2 工作模态分析及相关理论推导工作模态分析及相关理论推导 2 2 1Boost 升压斩波电路有电感电流分析升压斩波电路有电感电流分析 Boost 升压斩波电路有电感电流连续和电感电流断续两种工作状态 当电路 工作于电感电流连续模式时 电路的工作波形如图 2 2 所示 S 0 t on t off t 0 t o U 0 t 0 t L i V i 1 t 2 t V U 0 t 图 2 2 Boost 升压斩波电路电感电流连续工作时的波形 如上图所示 Boost 升压斩波电路工作于电感电流连续模式时 电路在一个 开关周期内相继经历了两个开关状态 其各时段的工作状态描述如下 时段 开关 MOS 管导通 电压向电感 L 充电 电感电流不断增大 0 t 1 t i U 续流二极管 D 此时处于关断状态 同时电容 C2 上的电压向负载供电 时段 开关 MOS 管关断 续流二极管 D 导通 整流电压和电感 L 1 t 2 t i U 通过续流二极管 D 共同向电容 C2 充电 并向负载提供能量 电感电流不断减 小 Boost 升压斩波电路工作于电感电流连续模式时有 2 1 UU t U ii off o D T 1 1 式中 T MOS 管的一个开关周期 MOS 管在一个开关周期内处于通态的时间 on t MOS 管在一个开关周期内处于断态的时间 off t D 占空比 T t D on 由上式可知 当占空比时 所以应避免占空比 D 过于接近1 D o U 1 以免斩波电路输出电压过高造成电路损坏 当 Boost 升压斩波电路工作于电感电流断续模式时 电路的工作波形如图 2 3 所示 S 0 t on t off t 0 t o U 0 t 0 t L i V i 1 t 3 t Z U 2 t 0 t V U 图2 3 Boost升压斩波电路电感电流断续工作时的波形 如上图所示 Boost 升压斩波电路工作于电感电流断续模式时 电路在一个 开关周期内相继经历了三个开关状态 其各时段的工作状态描述如下 时段 开关 MOS 管导通 整流电压向电感 L 充电 电感电流不断 0 t 1 t i U 增大 续流二极管 D 此时处于关断状态 同时电容 C2 上的电压向负载供电 时段 开关 MOS 管关断 续流二极管 D 导通 整流电压和电感 L 1 t 2 t i U 通过续流二极管 D 共同向电容 C2 充电 并向负载提供能量 电感电流不断减 小 时段 开关 MOS 管仍处于断态 在时刻电感电流减小到 0 续流二 2 t 3 t 2 t 极管 D 关断 电感电流将保持零值到时刻 且电感两端的电压也为零 在这 3 t 一时段 开关 MOS 管两端的电压等于输入的直流电压 同时负载由电容 C2 i U 提供能量 Boost 升压斩波电路工作于电感电流断续模式时有 2 2 zo U K U 2 4 11 式中 2 3 TRD L K 2 2 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的主要原因 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的主要原因 1 L 储能之后具有使电压泵升的作用 2 电容 C 可将输出电压保持住 2 3 控制电路模块控制电路模块 2 3 1 电流型电流型 PWM 控制实现的几种方案控制实现的几种方案 升压斩波电路的控制一般是由电流型 PWM 控制技术实现的 它分为一下 几种控制方案 1 峰值电流模式控制 Peak Current Mode Control PWM 峰值电流模式简称电流模式控制 是一种固定时钟开启 峰值电流关断的 控制方法 峰值电流模式控制 PWM 的优点 暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均 快 控制环易于设计 输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美 简单自动的磁通平衡功能 瞬时峰值电流限流功能 即内在固有的逐个脉冲限流功能 自动均流并联功能 缺点 占空比大于50 的开环不稳定性 存在难以校正的峰值电流与平均电流 的误差 闭环响应不如平均电流模式控制理想 容易发生次谐波振荡 即使占空比小于50 也有发生高频次谐波振荡 的可能性 因而需要斜坡补偿 对噪声敏感 抗噪声性差 因为电感处于连续储能电流状态 与控制电 压编程决定的电流电平相比较 开关器件的电流信号的上斜坡通常较小 电流 信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻 使系统进入次谐波 振荡 电路拓扑受限制 对多路输出电源的交互调节性能不好 2 平均电流模式控制PWM Average Current Mode Control PWM 平均电流模式控制概念产生于70年代后期 平均电流模式控制PWM集成 电路出现在90年代初期 成熟应用于90年代后期的高速CPU专用的具有高di dt动 态响应供电能力的低电压大电流开关电源 平均电流模式控制的优点是 平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号 不需要斜坡补偿 调试好的电路抗噪声性能优越 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制 易于实现均流 缺点是 电流放大器在开关频率处的增益有最大限制 双闭环放大器带宽 增益等配合参数设计调试复杂 3 电压模式控制 PWM Voltage mode Control PWM 电压模式控制 PWM 是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第 一种控制方法 该方法与一些必要的过电流保护电路相结合 至今仍然在工业 界很好地被广泛应用 电压模式控制的优点 PWM三角波幅值较大 脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量 占空比调节不受限制 对于多路输出电源 它们之间的交互调节效应较好 单一反馈电压闭环设计 调试比较容易 对输出负载的变化有较好的响应调节 缺点 对输入电压的变化动态响应较慢 补偿网络设计本来就较为复杂 闭环增益随输入电压而变化使其更为复 杂 输出LC滤波器给控制环增加了双极点 在补偿设计误差放大器时 需要 将主极点低频衰减 或者增加一个零点进行补偿 在传感及控制磁芯饱和故障 状态方面较为麻烦复杂 4 其他实现方案 还包括滞环电流模式控制 PWM 相加模式控制 PWM 但是这两种没有前 面三种应用的广泛 不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点 在设计开关电源选用时 要根据具体情况选择台适的PWM控制模式 这种选择一定要结合考虑具体的开 关电源的输入和输出电压要求 主电路拓扑及器件选择 输出电压的高频噪声 大小以及占空比变化范围等 2 3 2 手段手段 1 在解决问题时无论是稳态问题和动态问题在过压和欠压时主要应用电 力电子技术变换电路 2 在应用的过程中利用电流电压的双反馈闭环系统来控制 3 在 UC3842 芯片中管脚 3 用于电流的反馈 管脚 2 用于电压的反馈 A1 UR A2 R1 R3 R1 R CUO1 UO2 图 2 4 PWM 脉冲调制器电路原理图 1 当 UR 0V 时的波形图 占空比为 50 t t Uo1 Uo2 0 0 图 2 5 调制信号的输出波形 2 当 UR 变化 则占空比必然变化 UR 增大 Uo1 变宽 3 采 UC3842 实现 2 3 3 技术路线技术路线 1 利用对全控器件触发角的控制实现对功率因数的改变 2 对控制模块的选择问题 2 3 4 可行性论证可行性论证 1 在电力电子技术中的相关应用技术都已经得到了充分的应用 2 电压 电流反馈控制模块已经被广泛应用了 2 4 电流型电流型 PWM 升压变换器控制芯片设计升压变换器控制芯片设计 2 4 1 UC3842A UC3843A 中文资料中文资料 UC3842A UC3843A 是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至 直流变换器应用而设计 为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益 高的解决方案 这些集成电路具有可微调的振荡器 能进行精确的占空比控制 温度补偿的参考 高增益误差放大器 电流取样比较器和大电流图腾柱式输出 是驱动功率 MOSFET 的理想器件 其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定 各有滞后 逐周电流限制 可 编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存 这些器件可提供 8 脚双列直插塑料封 装和 14 脚塑料表面贴装封装 SO 14 SO 14 封装的图腾柱式输出级有单独的 电源和接地管脚 UC3842A 有 16V 通 和 10 伏 断 低压锁定门限 十分适合于离线变 换器 UC3843A 是专为低压应用设计的 低压锁定门限为 8 5 伏 通 和 7 6V 断 特点 1 微调的振荡器放电电流 可精确控制占空比 2 电流模式工作到 500KHZ 3 自动前馈补偿 4 锁存脉宽调制 可逐周限流 5 内部微调的参考电压 带欠压锁定 6 大电流图腾柱输出 7 欠压锁定 带滞后 8 低启动和工作电流 9 直接与安森美半导体的 SENSEFET 产品接口 图 2 6 UC3842 和 UC3843 芯片的内部结构简化框图 图 2 7 UC3842 和 UC3843 芯片的外部引脚分布图 2 4 2 本次设计所采用的本次设计所采用的 UC3842 芯片的特点 芯片的特点 UC3842 芯片共有 8 个管脚 其中各个管脚的功能如下 1 1 号管脚的功能为补偿 该管脚为误差放大器输出 并可用于环路补 偿 2 2 号管脚的功能为电压反馈 该管脚是误差放大器的反相输入端 通 常通过一个电阻分压器连至开关电源输出 3 3 号管脚的功能为电流取样 一个正比于电感器电流的电压接至此输 入 脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通 4 4 号管脚的功能为 RT CT 通过将电阻 RT 连接至 Vref 以及电容 CT 连接至地 使振荡器频率和最大输出占空比可调 工作频率可达 500kHz 5 5 号管脚的功能为地 该管脚是控制电路和电源的公共地 仅对 8 管 脚封装如此 6 6 号管脚的功能为输出 该输出直接驱动功率 MOSFET 的栅极 高达 1 0A 的峰值电流经此管脚拉和灌 7 7 号管脚的功能为 VCC 该管脚是控制集成电路的正电源 8 8 号管脚的功能为 Vref 该管脚为参考输出 它通过电阻 RT 向电容 CT 提供充电电流 UC3842 工作电压为 16 30V 工作电流约 15mA 芯片内有一个频率可设 置的振荡器 一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构 特别适用于 MosFET 的驱动 一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器 电流传 感器 具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的 PWM 比较器 最大占空比可达 100 另外 具有内部保护功能 如滞后式欠压锁定 可控制 的输出死区时间等 由 UC3842 设计的 DC DC 升压电路属于电流型控制 电路中直接用误差 信号控制电感峰值电流 然后间接地控制 PWM 脉冲宽度 这种电流型控制电 路的主要特点是 1 输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化 电感电流自动调整而不需要误 差放大器输出变化 改善了瞬态电压调整率 2 电流型控制检测电感电流和开关电流 并在逐个脉冲的基础上同误差放大 器的输出比较 控制 PWM 脉宽 由于电感电流随误差信号的变化而变化 从 而更容易设置控制环路 改善了线性调整率 3 简化了限流电路 在保证电源工作可靠性的同时 电流限制使电感和开关 管更有效地工作 4 电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿 因为 平均电感电流 大小是决定输出大小的因素 在占空比不同的情况下 峰值电感电流的变化不 能与平均电感电流变化相对应 特别是占空比 50 的不稳定性 存在难以校 正的峰值电流与平均电流的误差 即使占空比小于 50 也可能发生高频次谐 波振荡 因而需要斜坡补偿 使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致 但 是 同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度 2 4 3 由由 UC3842 控制的控制的 Boost 拓扑结构 拓扑结构 如下图 2 8 所示 输入Vi储能电感L 整流滤波 D C2 输出Vo UC3842 振荡Rt Ct 补偿Rr Cr Vcc 功率开关S 电流取样 Rs PWM 反馈 图 2 8 UC3842 控制的 DC DC 升压电路结构 2 5 主电路参数计算主电路参数计算 在所设计的电路中 电路的参数选择为 1 电源的输入电压 Vs 12V 2 额定负载电流 5A 3 最小负载电流 1A 4 开关频率 1k 10kHz 5 输出直流电压为 Vd 36V 纹波小于 5 控制采用连续模式 为最大占空比 L 为电感量 f 为振荡频率 max D 2 5 1 电感值的确定 电感值的确定 根据输入电压和输出电压确定最大占空比 2 4 max 36 12 0 67 36 oi o VV D V 当输出最大负载时至少应满足电路工作在电流连续工作模式下 2 5 2 1 2 120 9 0 67 1 0 67 196 5 5000 is o VV DD LH I f 同时考虑在 10 额定负载以上电流连续的情况 实际设计时可以假设电路 在额定输出时 电感纹波电流为平均电流的 20 30 因增加可以减小电 L I 感 L 但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容 取 30 为平衡点 即 7 C 2 6 5 30 30 30 4 55 11 0 67 o LL ave I IIA D 则 2 7 120 90 67 327 4 55 5000 is L VVD LH I f 流过电感 L 的峰值电流为 2 8 5 21 151 1517 11 0 67 o LPL aveL I IIIA D L 可选用电感量为 320 400 H 且通过 17A 以上电流不会饱和的电感器 2 5 2 输出电压取样电阻输出电压取样电阻 R2 R3 值的确定 值的确定 因 UC3842 的脚 2 为误差放大器反向输入端 芯片内正向输入端为基准 2 5V 可知输出电压 2 9 23 2 5 136 o VRRV 当取R2 100K 时 R3经计算为7 5K 由于储能电感的作用 在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流 在 R5 上产生一个尖峰脉冲 为防止造成 UC3842 的误动作 在 R5 取样点到 UC3842 的脚 3 间加入 R C 滤波电路 R C 时间常数约等于电流尖峰的持续 时间 2 5 3 开关管开关管 S 开关管的电流峰值为 max 17 VLP IIA 开关管的耐压为 2 10 360 836 8 ds offof VVVV 按 20 的余量 可选用 18A 40V 以上的开关管 2 5 4 输出二极管输出二极管 D 和输出电容器和输出电容器 C7 的确定的确定 升压电路中输出二极管 D 必须承受和输出电压值相等的反向电压 并传导 负载所需的最大电流 二极管的峰值电流 本电路可选用 max 17 dLP IIA 18A 40V 以上的快恢复二极管 若采用正向压降低的肖特基二极管 整个电路 的效率将得到提高 输出电容 C7 的选定取决于对输出纹波电压的要求 纹波电压与电容的等 效串联电阻 ESR 有关 电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流 另外 为满足输出纹波电压相对值的要求 滤波电容量应满足 2 11 22 7 360 67 96480 36 1 5 5000 o oo V DT CF V I 因此 可选用 96480 F 40V 以上频率特性好的电解电容可满足要求 2 5 5 UC3842 频率的计算频率的计算 根据频率计算公式可得 根据频率计算公式可得 2 12 111 3 8 0 5465ln 2 2 dt onoff tttt dt f IR TTT RCRC IR 当 Id 8 3mA Rt 16K 时 频率 f 选为 5KHZ 经计算得 Ct 22 4nF 而在 实验图里面 Rt R8 Ct C1 2 5 6 保护电路 保护电路 当 UC3842 的脚 3 电压升高超过 1V 或脚 1 电压 降到 1V 以下 都可以使 PWM 比较器输出高电压 造成 PWM 锁存器复位 根据 UC3842 关闭特性 可 以很容易在电路中设置过压保护和过流保护 本电路中 R5 上感应出的峰值电 流形成逐个脉冲限流电路 当脚 3 达到 1V 时就会出现限流现象 所以 整个 电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量 就能保证稳压电路 工作可靠 降低成本 3 电路仿真与测试电路仿真与测试 3 1 仿真仿真 multisim 软件介绍 软件介绍 Multisim 是加拿大图像交互技术公司 Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司 推出的以 Windows 为基础的仿真工具 适用于板级的模拟 数字电路 板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路硬件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图 并对电路进行仿真 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复 杂内容 这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获 仿真和分析新的设计 这也使其更适合电子学教 育 通过 Multisim 和虚拟仪器技术 PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以 完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计 流程 目前在各高校教学中普遍使用 Multisim2001 网上最为普遍的是 Multisim 9 NI 于 2007 年 08 月 26 日发行 NI 系列电子电路设计软件 NI Multisim v 11 作为其中一个组成部分包含于其中 Multisim 9 概述概述 Multisim 被美国 NI 公司收购以后 其性能得到了极大的提升 最大的改 变就是 Multisim 9 与 LABVIEW 8 的完美结合 新特点 1 可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器 2 所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上 3 所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和 分析 Multisim 11 组成 组成 1 构建仿真电路 2 仿真电路环境 3 multi mcu 单片机仿真 4 FPGA PLD CPLD 等仿真 5 通信系统分析与设计的模块 6 PCB 设计模块 直观 层板 32 层 快速自动布线 强制向量和 密度直方图 7 自动布线模块 仿真的内容 仿真的内容 1 器件建模及仿真 2 电路的构建及仿真 3 系统的组成及仿真 4 仪表仪器原理及制造仿真 器件建模及仿真 可以建模及仿真的器件 模拟器件 二极管 三极管 功率管等 数字器件 74 系列 COMS 系列 PLD CPLD 等 FPGA 器件 电路的构建及仿真 单元电路 功能电路 单片机硬件电路的构建及相应 软件调试的仿真 系统的组成及仿真 Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件 它很 适用于如 信号与系统 通信 网络 等课程 难度适合从一般介绍到高 级 使学生学的更快并且掌握的更多 Commsim 含有 200 多个通用通信和数学模块 包含工业中的大部分编码器 调制器 滤波器 信号源 信道等 Commsim 中的模块和通常通信技术中的 很一致 这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术 要观察仿真的结果 你可以有多种选择 时域 频域 XY 图 对数坐标 比特误码率 眼图和功率谱 仪表仪器的原理及制造仿真 可以任意制造出属于自己的虚拟仪器 仪表 并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用 PCB 的设计及制作 产品级版图的设计及制作 美国 NI 公司提出的理念 把实验室装进 PC 机中 软件就是仪器 3 1 1 Multisim 概貌概貌 软件以图形界面为主 采用菜单 工具栏和热键相结合的方式 具有一般 Windows 应用软件的界面风格 用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用 1 Multisim 的主窗口界面 启动 Multisim 11 后 将出现主界面 界面由多个区域构成 菜单栏 各种工具栏 电路输入窗口 状态条 列 表框等 通过对各部分的操作可以实现电路图的输入 编辑 并根据需要对电 路进行相应的观测和分析 用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容 2 菜单栏 菜单栏位于界面的上方 通过菜单可以对 Multisim 的所有功能进行操作 不难看出菜单中有一些与大多数 Windows 平台上的应用软件一致的功能选 项 如 File Edit View Options Help 此外 还有一些 EDA 软件专用的选 项 如 Place Simulation Transfer 以及 Tool 等 a File File 菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令 b Edit Edit 命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能