新型大功率开关电源的研究与仿真

1、论文题目：新型大功率开关电源的研究与仿真摘要大功率开关在工业生产和人们的日常生活中应用已经极为广泛，尤其在一些特殊行业和领域使用范围更加的广阔。线性电源的技术被广泛应用于大功率开关电源方面,这种结构设计的缺点就是整体的性能不高，工作效率低，面积大等。开关电源技术发展到今天，已经有了很大的进步和突破,开关电源技术在直流电领域使用更多一些。开关电源的各种优点和高性能已经在电源行业奠定了不可动摇的地位。开关电源技术应用于大功率电源领域,使大功率电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。本文对大功率开关的结构设计，需要的各种数据以及电路控制和其工作的原理进行了详细的分析，确定了电源的初步方案；然后使用

2、仿真软件对电路的运行情况进行了仿真测试，在此基础上，针对该电路的缺点，对电源变换器的结构进行了改进和完善；最后，对电源电路进行了安装和调试，试制了一台样机，对样机进行了实验，并对样机的实验结果和电路的仿真结果进行了比较分析。论文类型：应用研究关 键 词：移相控制；电压开关；仿真目 录1 绪论11.1选题背景11.2 国内外电源技术发展概况12 系统的方案32.1 组合式开关电源的结构32.2 组合式开关电源的原理32.2.1 斩波器电路33 电源主电路设计53.1 buck变换器53.1.1 buck工作原理53.1.2 buck变换器的参数计算63.1.3 功率变压器主要参数设计73.2 输

3、出整流滤波电路设计94 控制电路和保护电路的设计114.1 控制电路方案比较选择114.2 控制电路设计144.2.1 buck控制电路设计144.2.2 推挽式控制电路设计144.3 驱动电路设计154.4 保护电路设计164.4.1 输入过压保护164.4.2 欠压保护174.5 缓冲电路设计185 系统的建模与仿真195.1 MATLAB简介195.2 系统的建模195.2.1 变换器传递函数推导195.2.2 PWM环节205.2.3 调节器205.3 系统的仿真及结果分析205.3.1 PWM的设计205.4 系统的建模22结论27致 谢29参考文献31III1 绪论1.1 选题背景

4、随着电子技术的高速发展，电子系统、电子设备的种类愈加丰富多样，人们和这些设备和系统之间的关键也日益紧密。1电子设备不可能离开电源独自存在，一个可能且性能稳定的开关对于电子设备的正常运行也是有着举足轻重的作用。开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空比来调整输出电压2。传统的开关设备具有很多可靠性，线性稳压电源输出的电压具有波纹小，稳定的优点，但是要保持这些优点，通常对于变压器和滤波器的体积和重量都有要求。大功率开关电源以体型小、质地轻和高效能的工作优势被广泛应用于各种计算机的终端设备和各类通讯设备，现今电子信息的产业如此快速的发展，若是没有大功率开关作为重要的部件对于电

5、子信息产业的发展造成严重的影响。大功率电源开关以后被广泛用于用于现代化工业建设、国防和科研项目中，前景一片光明。“50kW/40kHz高压稳压电源”被中国科学院电工所研制成功，说明国内大功率开关电源的研制已经已经进入高水平阶段3。从目前的的来看，国内的小功率开关发展的技术也将之前成熟许多，完全可以满足国防事业和工业的发展需要。新型的高功率开关电源本身具备很多优势，本身之地轻且小，工作效率高、性能稳定，在自动控制方面也变现的非常优秀，所以这些技术慢慢的也被用于民用。1.2 国内外电源技术发展概况电力电子需求与日俱增，电源是电力电子技术的主要应用领域之一，他的技术与装置随着市场需求的增加前景更为广

6、阔。随着微电子制造技术的进步，各类通信设备，电子产品，大型的家用电器、电子医疗设备得到突飞猛进的发展，这些高端的大型设备通常都需要采用直流稳压电源进行内部供电1。一些设备需要配备持续的电源，因为一旦停电损失会非常的惨重。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件层出不穷并且在开关电源的领域得到应用，使开关电源得到更上一层楼的发展，达到了五高。随着科学技术的进步，各个领域对于芯片的要求不断提高，大部分电子设备都在薄厚和体积都在不断的减少，像一些笔记本就是以轻薄作为卖点，手机也是一样。开关频率就成为这其中非常关键的一步，因为电子产品内部的各种电

7、子元件随着产品的总体体积变小，总体的重量也是随之而变化的。高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHZ至数MHz的开关电源已有使用。小型化和模块化两者紧密相连密不可分，模块化为电源提高了其可靠性，是开关的使用方法更加的简单与人性化。模块电源的几种连接方式在生产和用户的使用方面都是有推进作用的。在维修和使用上智能化是基础，现在很多的大型设备机房都是不需要人去24小时看守的，必须具备高智能化，高智能化可以应对突发的任何情况，并且及时的进行自我管理。现代科技赋予电子设备的的性能越来越多现代越来越复杂，同时电源负载能力也满足不断创新的电

8、子设备的需求。无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相关的国际和国家标准规范进行约束。4西安交通大学网络教育学院论文2 系统的方案2.1 组合式开关电源的结构图2.1开关电源设计图开关电源设计如图2.1所示。此电源的组成一级是降压斩波器，其开通和关断都是通过PWM控制V2管来实现的，可以在在50V330V范围内将24V电压稳定输出。第二级变换器实际上是将直流24V重新凋制，控制V3，V4交替导通和关断，把24V直流电压变换成高频交流电压，经高频变压器副边输出多组装置所需的各种电压和驱动所需的方波电压。为了保证在送电初期电源能正常工作，特设置了初始电源产生电路。在斩

9、波器稳定输出24V后，初始电源退出工作，由电源本身提供工作电源。注：图中所示的V2、V3、V4指通用的开关管不一定是功率晶体管。电源控制回路采用UC系列集成电流控制芯片UC3842，UC3846作为控制芯片，可实现精确控制，提高电源的可靠性并可方便的实现保护电路的设计4。开关电源的控制芯片在主回路与控制回路之间存在隔离问题，考虑到光耦合器速度较慢，且还需提供工作电源，故本电源用脉冲变压器实现主回路与控制回路之间的隔但使用脉冲变压器对斩波器斩波管V2的驱动会生一些问题。将在驱动电路部分分析解决。2.2 组合式开关电源的原理2.2.1 斩波器电路开关电源斩波器电路原理图如图2.2所示，它的功能是将

10、从主回路中间直流电压(50V330V)变成24V稳定直流电压输出。图2.2第一级斩波电路图斩波器控制电路使用PWM集成电路UC3842，电阻器Rt和电容器Ct确定斩波器的工作频率。 R1和R2是反馈电阻，此值决定输出电压，UC3842的参考功率为5V，R5是电流反馈电阻，如果负载电流超过极限值，R5会将此信号反馈到UC3842，停止工作。流量保护的作用。来自UC3842的控制信号被施加到互补管V1和V2，并且通过脉冲变压器的初级侧生成驱动信号以驱动斩波操作。如果脉冲变压器的初级侧关闭，则会出现较大的尖峰电压，这对V1和V2有害。为此，添加吸收电容器可以显着减少尖峰。图2.3显示了未添加缓冲电容

11、器或缓冲电容器时的驱动波形。减少开关管的开关损耗是确保开关管正常工作的重要因素。为此，必须充分减少开关管的导通和断开过渡时间。通过采取上述措施，可以大大减少开关的接通和断开时间。脉冲变压器通过限流电阻和齐纳二极管Dz驱动Q1。驱动电路的性能取决于D 5。不加电容驱动波形加电容驱动波形图2.3驱动波形图西安交通大学网络教育学院论文3 电源主电路设计3.1 buck变换器3.1.1 buck工作原理降压转换器也称为降压转换器，是一种可转换输入和输出电压的降压转换器。即，输出电压低于输入电压。基本结构如图3.1所示。 （1）开关晶体管，二极管可以是理想的元件，即迅速“导通”和“关断”，导通压降为零，

12、在断开电流处的漏电流为零，和（2）电感和电容是理想的组件，电感器在线性区域不饱和，寄生电阻为零，电容器的等效串联电阻为零。（3）在输出电压下纹波电压与输出电压之比小到足以允许图3.1Buck变换器电路工作过程：本地开关Tr如图3.2所示，isLi电流线圈L，电流线性度在负载R中流向电流Io，输出电压Vo跨过极性。充电状态偶极管D用返回电压闭合，在时间D1Ts之后，主开关Tr闭合的演示开关Tr如图3.3所示。L盘改变L两端的电压极性并保持电流不变。负载两端的电压仍然很高和很低。图3.2Tr导通 图3.3Tr导通在一般的电路中期望是BUCK电路工作在连续导通模式下，在一个完整的开关周期中，BUCK

13、变换器的工作分为两段，其工作波形图为图3.4buck连续工作模式下的工作波形图3.1.2 buck变换器的参数计算在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs的范围、输出电压Vo、功率P输出电流I。、纹波电压的范围Vo，开关频率fs，就可以推出电路中L、C的参数值和所需要开关管和二极管的耐压和耐流值，从而选定各自的型号7。从图3.4中的Li波形图可知，在开关管Tr导通期间(0t一1t)，电感电流上升量为：(l)电感L的确定在连续和不连续之间有个临界状态，此时：V0=VSDI0(2)电容C的确定流经电容的电流Ci是(0LiI-)，由于Ci对电容的充放电产生的纹波电压0VV，如图3.4中Ci和CV波形。

14、V0=Cdt=(xx)=TS开关管的峰值电流为ITP=ILIL开关管的耐压值为VMAX=VS根据拟定技术指标：输入电压Vs50330V输出电压Vo24V功率Po500W输出电流20AVo=1Vfs100KHz有上述公式推到可得：Lc取8uHC取3mF根据耐压值和余量开关管取IRFPS37N50A500V37A二极管取RF2001T4S400V20A峰值电流TPI取36A3.1.3 功率变压器主要参数设计（1）变压器铁芯的选择当前，高频开关电源变压器中使用的铁芯材料通常包括铁氧体，坡莫合金，非晶态合金和超细晶体材料。在这些材料中，坡莫合金是最昂贵的，因此从降低功率产品成本的角度考虑不应该考虑坡莫

15、合金。尽管非晶态合金和超细晶体材料的饱和磁感应强度很高，但它们在假定的测试频率和总磁通密度的测试范围内显示出最高的铁损，因此受到高功率密度和高效率的影响。不应该使用。铁氧体材料的损耗大于坡莫合金的损耗，但饱和磁感应强度低于非晶态合金和超细晶体材料的磁感应强度，但铁氧体材料可以由廉价且几何形状各异的铁芯制成。对于大功率，低泄漏的变压器设计，最适合由E-E铁氧体磁芯制成的变压器，并且E-E磁芯可以轻松地由铁氧体材料制成。因此，考虑到综合考虑，转换器的变压器铁芯选择功率铁氧体材料E-E的类型。（2）工作磁感应强度的测定#m;在芯结构，材料性能，工作频率和输出功率方面，工作磁感应强度Bm是设计开关电源

16、变压器的重要指标。如果选择的工作磁感应强度太低，则变压器的体积重量会增加，转数会增加，并且色散参数的性能会降低。如果选择过高的工作磁感应强度，则变压器温度会升高，磁芯温度容易升高，磁芯容易饱和并且运行状态不稳定。通常情况下，开关电源变压器的Bm值应选择为低于饱和磁通密度Bs。对于铁氧体材料，工作磁感应强度通常选择在0.16T至0.3T之间。根据设计中的特定工作频率，温升，工作环境和其他因素，将工作磁感应强度设置为0.2T。（3）计算出的变压器#nbsp的功率；开关电源变压器的磁芯所需的功率容量是变压器的计算出的功率，其大小取决于变压器的输出功率和整流电路的形式8。转换器输出电路经过全波整流。P

17、t=P0(1+1/)=()=U0I0(1+1/)h=+=2020(1+1/0.8)=900w+（4）磁芯设计输出能力的确定磁芯材料确定后，磁芯面积的乘积反映了变压器输出功率的能力。其磁芯面积为:Ap=AcAm=Ap=3.27cm4式中：Ap为磁芯截面积乘积，单位为cm4；Ac为磁芯截面积，单位为cm2Am为磁芯窗口截面积，单位为cm2；Bm为磁芯工作磁感应强度，单位为T；Kw为窗口占空系数取0.2；Kj为电流密度系数(温升为50时，E形磁芯取534)。（5）绕组匝数的计算磁芯材料确定后，磁芯面积的乘积反映了变压器输出功率的能力。其磁芯面积为:Ap=AcAm=Ap=3.27cm4式中：Ap为磁芯

18、截面积乘积，单位为cm4；Ac为磁芯截面积，单位为cm2Am为磁芯窗口截面积，单位为cm2；Bm为磁芯工作磁感应强度，单位为T；Kw为窗口占空系数取0.2；Kj为电流密度系数(温升为50时，E形磁芯取534)。（5）绕组匝数的计算因为变换器的电路形式为推挽式，所以变压器的初级电压Up=24V。在该变换器中满载电流20A比较大，整流管和滤波电感上的压降不可忽视，本变换器所用的整流二极管的压降在20A电流下约为25V，滤波电感的直流压降取05V；另外，变换器满载工作时会把电压拉低，为避免把工作脉冲的占空比拉到最大时电压电流仍然达不到要求，变压器次级电压要有一定的裕度，一般取变换器输出电压的10；所

19、以，变压器的次级电压Us=22V。初级绕组匝数N1N1=匝（6）导线线径的计算绕组的线径由变压器的每个绕组的工作电流和电流密度决定。另外，如果变压器的工作频率超过50 kHz，则应考虑当前集肤效应的影响，并且线径应小于穿透深度的两倍。铜线的趋肤深度在频率为100 kHz时从到O.41 mm，因此所取的线径应小于0.82 mm。（7）电流密度（8）线圈的绕制由于转换器使用中型抽头变压器，因此功率较大，必须采用三明治绕组法。夹心绕组法是在中间的初级绕组，在两侧的次级绕组，或在次级的中间绕组，在初始的两侧。这种绕线方式大大提高了变压器的温度，磁力线均匀分布在变压器中，使绕线耦合相对均匀，漏感较小，外

20、部干扰较小，纹波效应较小。变压器的初级绕组缠绕在中间，次级绕组是中间抽头输出，有四个绕组，每个绕组都缠绕在初级侧的两侧。3.2 输出整流滤波电路设计综合各电路的优缺点选用结构简单的全波整流电路如图3.7所示,变压器中心抽头构成了全波整流电路，且正半周时：u2瞬时极性a(+),b(-)，VD1正偏导通，VD2反偏截止。负载电流的流通途径为aVD1Rc；负半周时：u2瞬时极性a(-),b(+)，VD1反偏截止，VD2正偏导通。负载电流的流通途径为bVD2RLc。整流电路VD1和VD2轮流导通，整个周期内都有电压输出，故该电路称为全波整流电路。图3.5全波整流电路其主要性能指标为：（1）（2）（3）

21、（4）104 控制电路和保护电路的设计4.1 控制电路方案比较选择电源的性能例如输入的线性调整、输入线与负载的变动反应特性，基本上取决于归返回路(returnloop)的结构。归返方式可分为两种，分别是:(a)电流模式控制。(b)电压模式控制。有关电压模式控制图4.1是电压模式控制的DC-DCConverter电路实例，由图可知它是由单一的反馈回路所构成，它的输出电压归返至输入端，误差增幅器可将基准电压Vref，与分压后的输出电压差分增幅，再将结果输入到脉冲宽变调器(PWM:PulseWidthModulation)，PWM比较器(comparator)可将增幅后的差分信号，与内部产生的锯齿状

22、信号作比较，并将调节占空比，最后再输出PWM信号9。图4.1电压模式控制的DC-DC变频器基本电路图4.2显示了一个电流模式控制的DC-DC转换器电路的示例，该电路将电感器电流加回到电压反馈端子上。从电流模式控制的DC-DC转换器流到电感器和PWM比较器的电流可以通过输入控制信号来控制占空比，也就是说，除了输出电压之外，还可以反馈电感器电流。与最重要的电压模式结构不同。 4.2电流模式控制DC-DC转换器有三种感应检测方法。 （1）平均电流模式控制。 （2）固定ON/OFF时间控制。 （3）峰值电流模式控制。11图4.2电流模式控制的DC-DC变换器基本电路图4.3是平均电流模式控制的DC-D

23、C变换器电路，由于输入电流与输入电压同相，因此它可以有效改善输入效率。图4.3平均电流模式控制的DC-DC变换器基本电路管Tr1一旦导通的话，电感电流IL会大幅增加，如果电感电流IL与控制信号一致时，开关管Tr1会将固定周期的时间内关断。此外峰值电流模式控制变换器能获得良好的线形调整特性，因此可去除输入电源的交流谐波成份，去除音频噪声。电流连续模式和电流不连续模式都具有相同的工作特性，因此即使负载范围很广，它们也具有稳定的工作特性和简单的补偿电路。电感电流IL值是控制电压，由输出电压的返回信号控制，IL的检测信号与控制电压Vc进行比较，检测到的IL保持与Vc相同，PWM调节器的输出继续保持Tr

24、1。在接通状态下，如果IL和Vc相同，则Tr1关闭。下一个周期以时钟脉冲开始，该时钟脉冲降低了RF，因此可以通过控制电压来控制IL的峰值，并且可以看出电流模式控制特性由许多因素组成10。以上是当前模式的优点：（1）出色的线性调整特性；（2）相位补偿非常简单；（3）响应特性不取决于电流连续性和电流不连续工作模式；（4）无需设置限流电路；峰值电流模式的缺点：（1）输出电感器峰值电流是恒定的，而不是平均电流常数；（2）对输出电感器电流故障的响应；（3）电流模式斜率补偿。电流模式控制转换器的设计更为复杂，因为它们需要增加各种电路的设置，但是电流模式控制的优点胜过缺点，特别是输入电压范围非常大。您可以充

25、分利用PC，高频通信设备之类的系统，或者需要低输出波动和电流模式控制的线性调整特性的系统。此外，在连续模式或不连续模式下，瞬态响应过冲，连接时间和通过补偿设置的稳定性几乎相同。与用于维持连续模式的电压模式控制换能器不同，有必要建立一个较大的磁路。 电源开关电路的电路拓扑分为电流模式控制和电压模式控制。电流模式控制由于具有动态响应快，补偿电路简化，增益带宽大，输出电感小，电流共享容易等优点而被广泛使用。在电流模式控制电路中，需要准确有效地测量电流值，因此电流检测电路的实现成为重要的问题。在电流环路控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其优点是可以选择较小的电阻以获得足够的检测电压，而检测电压

26、的损失较小。 电流检测电路的实现方法有两种：电阻检测和电流互感器检测。如图4.4电阻检测接地当使用图4.4直接检测开关中的电流时，有必要在检测电阻Ri旁边连接一个小的RC滤波电路，因为关闭开关会使集电极电动机放电，并导致电流尖峰中的电流尖峰。尖峰的脉冲宽度和幅度通常足以锁定电流放大器，并且PWM电路有缺陷。在实际的电路设计中，尤其是大功率，大电流的电路设计中，电阻检测方法并不理想。因为检测电阻的损耗可能高达几瓦，几十瓦，而且很难找到数百毫米。电阻小至几欧姆或几十毫欧。实际上，在大功率电路中，实际上，电流互感器检测，电流互感器检测在保持宽波形的同时保持良好的波形，而电流隔离提供电隔离，并且检测电

27、流是很小的损耗。较小的检测电阻可以使用稍大的电阻，例如20 ohm电阻。电流互感器测量感测电阻器次级侧（包括DC分量）上的总瞬态电流，但是只要电流脉冲过零，就必须正常复位铁芯，特别是在平均电流模式控制中，电流互感。检测器检测更为合适，因为在每个开关周期内，平均电流模式控制下检测到的脉冲电流将返回零。如果电流互感器的芯不能复位，则芯将饱和。电流互感器饱和是一个严重的问题。首先，无法精确测量电流值，因此无法执行有效的电流控制。其次，当电流值小于设定值时，电流误差放大器始终会“思考”，从而创建电流误差放大器。过度补偿会导致电流波形失真。电流互感器检测最适合用于对称电路，例如推挽和拉桥电路。对于单端电

28、路，DC值“丢失”，因为电感器电流无法恢复为零，并且电流互感器无法复位其磁饱和，这会导致过流保护和输出端过电压的损失。4.2 控制电路设计4.2.1 buck控制电路设计本设计使用UC3842作为转换器的控制芯片。UC3842是一款高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和DC-DC转换器应用而设计，可为设计人员提供经济高效的解决方案，并减少了外部组件。该集成电路具有可调整的振荡器，精确的占空比控制，温度补偿基准以及高增益误差放大器。电流采样比较器和大电流图腾柱输出非常适合驱动功率MOSFET。其他保护功能包括磁滞，逐周期电流限制，可编程输出死区时间以及具有单个脉冲测量锁存器的输入和参考欠压锁定

29、功能。UCB842A具有16V（通过）和10V（关断）欠压锁定阈值，使其非常适合离线转换器。UCX843A专为低压锁定阈值为8.5V（通过）和7.6V（关闭）的低压应用而设计。微调的振荡器放电电流可通过500kHz自动前馈补偿锁存器脉冲宽度调制，逐周期电流限制内部微调参考电压，低电压阻塞大电流图腾柱输出来精确控制占空比电流模式欠压锁定。Ansonmei导体和直接SENSEFET产品接口的框图如下所示。图4.5UC3842简化框图4.2.2 推挽式控制电路设计（1） 控制芯片选用UC3846，其资料如下：UC3846/47个电流模式PWM控制器最早是在Unitrode公司推出的，现在由德州仪器（

30、TI）生产。 UC3846和UC3847均为16引脚PWM控制器，主要区别在于，在关闭状态下，UC3846输出低电平，而UC3847输出高电平。 UC3846/47系列电流模式PWM控制器分为三类：军事产品，工业产品和民用产品。型号为UC1846/47，UC23846/47和UC3846/47 11。以德州仪器（TI）生产的UC3846/47电流模式PWM控制器为例，说明其特性，引脚功能，电气参数，工作原理和典型应用。 UC3846管脚图图4.6 UC3846原理图4.3 驱动电路设计驱动电路如下图图4.7带隔离变压器的驱动电路电容器C用于隔离DC，而T1是高频，高磁通量的磁环或磁罐。导通时，

31、隔离变压器上的电压为（1-D）Ui，断开时为DUi。如果主功率管S的可靠电压为12 V，则隔离变压器的一次侧和二次侧之比为12 /（1）。 -D）/Ui。 C值可以稍大一些，以确保GS电压在导通时间内保持稳定。该电路具有以下优点： 1.电路结构简单，可靠，具有电气绝缘性。更改脉冲宽度不会更改驱动器的掉电功能。 2.该电路仅需要一个电源。换句话说，它可以用作单个电源。隔直流电容器（C）的功能可在驱动管关闭时提供负电压，从而加快功率管的关闭速度，并具有较高的抗干扰能力。 但是，该电路的主要缺点之一是输出电压的大小取决于占空比。如果D小，则负电压小，电路的干扰保护会降低，正向电压也会高，因此幅度不应

32、超过MOSFET栅极的允许电压。如果D大于0.5，则应注意驱动电压的正向电压小于负电压，负电压值不超过MOSFET栅极的允许电压。因此，该电路适用于占空比固定或占空比变化不大且占空比小于0.5的应用。因此，主转换器驱动器使用此电路。4.4 保护电路设计4.4.1 输入过压保护由R1和R2组成的分压器电路是输入电压Ui的检测电路，点A的电压为UiR2 /（R1 + R2），R3，R4，RP和比较器UA组成磁滞比较电路，磁滞宽度为UccR3/R4。稳压器RP可以更改过压保护极限。原理是，如果UiR2 /（R1 + R2）高于UH（1 + R3/R4），则比较器将翻转，输出Uo将为Ucc，如果较小，

33、则输出Uo将为0。1.图4.8输入过压保护电路2、过流保护电路图如下图4.9输入过流保护电路图在该图中，电流互感器的初级侧连接到主电路以感测电流，电路RI是变压器的次级侧电流感测电阻器，电压UR1=r1is/n是变压器的匝数比。随着主电路电流的增加，Ur1=R1is/n相应地增加；如果Ur1大于UH，比较器A的输出将从低电平变为高电平，并且RS触发器翻转以阻止PWM输出。主电路开关关闭。要重启电路，需要向RS触发器的R端子施加一个复位信号。4.4.2 欠压保护当电源供电电压过低或电源输出端过载、短路时，电源的初级电流都会大幅度增加，由于采样电阻Rs的限流作用，使得电源的工作占空比缩小，输出电压

34、下降，电源处于非正常工作状态。特别是当输出端短路时，变压器中磁通的释放能力近似为零，随着磁通的积累，变压器将处于磁饱和状态。在初级功率管导通时，供电电压几乎全部加在功率管上，虽然采样电阻Rs可以为功率管提供短时间的保护。输出端欠压检测，可以采用初级间接检测和次级直接检测两种方法，一般来说次级直接检测更迅速准确，因而在电源设计中采用较多。最普通的次级直接检测方法是在控制回路中额外增加光耦等元件如下图：图4.10欠压采样电路4.5 缓冲电路设计图中显示了充放电RCD缓冲电路，该电路可以用作电压钳位并控制电压上升的速率。该缓冲电路抑制了浪涌电压，与RC缓冲电路不同，增加了缓冲二极管D，增加了缓冲电阻

35、值，减少了电阻损耗，避免了FET的负担。该电源选择了充电和放电型RCD缓冲电路。图4.11RCD电路当FET关闭时，充放电RCD缓冲电路开始工作，并且在理想条件下，FET的漏源电压缓慢上升。但是，在实际设备中，由于缓冲电路的布线电感和缓冲二极管的瞬态正向压降的影响，在截止时仍然存在尖峰电压。为了应用充电和放电型RCD缓冲电路，必须在关闭缓冲电容器的最大充电电压的过程中将FET控制在最大允许的漏极源电压之内。5 系统的建模与仿真5.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司生产的商业数学软件，它是用于算法开发，数据可视化，数据分析和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包

36、括MATLAB和Simulink。 MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的首字母缩写，而Mathematica和Maple被称为三大主要数学软件。数学应用中的数值计算是首屈一指的。 MATLAB可以执行矩阵运算，函数和数据绘制，算法实现，用户界面创建以及其他编程语言中的程序链接，主要用于工程计算，控制设计，信号处理和通信，图像处理，信号传感和财务建模设计。用于等方面的分析。由于MATLAB的基础数据单元是矩阵，指令表示与数学和工程中常用的格式非常相似，因此使用MATLAB解决问题比使用C，FORTRAN和其他语言简单得多。数学还利用Maple等软件的优势，使MATLA

37、B成为功能强大的数学软件。在新版本中还添加了对C，FORTRAN，C +和JAVA的支持。您可以直接调用它，以后可以将自己的实用程序导入MATLAB函数库以方便自己进行调用，许多MATLAB爱好者都编写了一些经典程序，并且可以自己下载和使用它们。发展历史 1970年代，美国新墨西哥大学计算机科学主任Cleve Moler用FORTRAN编写了第一个MATLAB，以减轻学生编程的负担。 MathWorks由Little，Moler和Steve Bangert于1984年创立，在市场上正式推出了MATLAB。到1990年代，MATLAB成为国际控制界的标准计算软件12。5.2 系统的建模5.2.1

38、 变换器传递函数推导Buck电路的状态空间平均模型为： (5.1)则小信号模型状态方程的系数矩阵，有 求出小信号模型状态方程在复频域的解为：（5.2）5.2.2 PWM环节开关电源控制系统中，调节器的输出u为直流电平，与锯齿波Us相比较，得到占空比随u变化得PWM信号，因此PWM环节将控制量u由电压信号转换为时间信号D0Us上升斜率为k，则占空比D与直流电平u关系为5.2.3 调节器根据给定信号与反馈信号相减得到的误差信号来计算控制信号u，用以控制开关的占空比。常用的调节器有PI和PID。PI调节器的传递函数为： PID调节器的传递函数为5.3 系统的仿真及结果分析5.3.1 PWM的设计根据

39、PWM产生原理，可以得到以下仿真模块来产生可调PWM信号。首先，产生工频脉冲信号，积分器通过比较器产生三角锯齿波，通过比较符号产生脉冲信号，并且由分频器产生两个互补的驱动脉冲out1和out2。可以使用ln1输入来调节PWM信号的占空比。图5.1PWM模块的设计仿真波形三角图如下图：图5.2PWM产生的三角波形仿真产生驱动波形如下图5.3两路输出驱动波形D=0.5调节1n1的输出波形如下图5.4PWM原理波形将其生成PWM子系统封装并添加我的库。5.4 系统的建模电压型控制的电源其Tr是双极点，非隔离的BUCK形式为：Lc取15uH，C取11mF，R取2。则传函为取PI调节器的零点位于滤波环节

40、的谐振角频率处。R2C1=1/LC,取C11uF则R2取250欧姆。开环系统是稳定的。画出系统开环的bode图如下：图5.5系统的开环bode图从bode图可以看出开环系统是稳定的在MATlAB里搭建系统的模块采用双闭环，PID初设为1。图5.6系统的pwm模型Step设50，K取0.125，限幅0.005，频率100K，不设PID参数的闭环系统输出波形如下。图5.7系统的输出相应曲线由图可知：系统的上升时间很短0.1s，稳态误差小0.06V。但是超调较大2.5V左右，调整时间长2.5s。不满足设计要求。现令KP=1，Ki=0.01kd=0.1可以优化输出曲线。带输出曲线如下图图5.8加补偿的

41、系统输出曲线由图可知加上补上调整后的波形明显很好虽然上升时间比前面的长0.5秒，还是比较短的，几乎无超调，无稳态满足目标要求。以上是在出入50V的输出波形，当输入加到300时，输出波形如图5.9，输出只有上升时间变短，其他的性能指标都没有改变，波形几乎一样，不在详叙附图。图5.9输入为300V系统响应曲线25结论通过毕业设计，掌握了开关电源的设计思路和方法。通过对各个模块进行设计，对开关电源有了更深刻的理解。其各模块主电路、控制电路、驱动电路、保护电路设计方法和思路比较多，通过比较各模块各个实现方法优缺点和设计的要求，选择了比较适合的电路。本设计的主要特点是采用了组合式变换器和实现了多路输出和

42、多种保护。通过电流模式控制，电源的稳定性好，响应更快。本设计还有不足之处，理论上的设计，在实际应用中还存在一些实现问题。通过对Buck电路建模，在MATLAB上进行仿真，验证了设计思路的正确，和理论性的可实现。在建模中采用闭环控制，使系统具有良好的性能，其技术指标均满足要求。建模主要是PWM和系统的开环传递函数。其调试过程比较麻烦，尤其是参数的整定，要获得良好的响应曲线必须有耐心。通过仿真对软件MATLAB有了一定的了解，能够比较熟练的应用功能强大的仿真模块simulink。27致谢致 谢首先感谢学校给我一个这样的在学习机会，是我在毕业后还能有有一个再次学习的机会，去学习理论知识。虽然平时真的很忙，经常加班，有的时候连续几个月都不休习，但是每天坚持一小时的学习，很有意义。我的论文是结合自己工作写的，所以时间相对紧张，因此论文的写作对我是很大的挑战，中间有特别多的困难。在一开始选题的时候，我很茫然，都不知道怎么选，经过导师的引导我选择这个和我工作相关的题目。这里我非常感谢我的论文老师，给我理清了思路，让我知道论文该如何下笔。同时非常感激我的家人对我的理解，我平时很少在家里，基本上没有时间照顾孩子和家人，回来就准备论文。所以我非常感谢我的妻子，是在她的支持下我选择了在学习来充实自己，为以后的人生做铺垫。论文完成只是个开始，以后我会用我自己学到的东西，理论联系实际