一种正激变换器开关电源设计方案方法

1、一种基于正激变换器的开关电源设计方法收藏此信息打印该信息添加：郑慧 汤天浩 韩金刚来源：未知1 引言经过多年的发展，开关电源技术已经取得了很大成功， 其应用也十分普遍和广泛。但因其结构复杂，涉及的元器件较多，以及要降低成本、提高可靠性，仍存在一些问题需要解决。例如 : 电源的设计和生产需要较高的技术支持; 电路的调试要有实际经验，也有一定的难度。 对于第一个问题， 由于目前各种开关电源虽然形式多样，结构各异，但其大都源于几种基本的dc-dc 变换器拓扑结构， 或者是这些基本电路组合， 因此，可以对几种基本dc-dc 变换器进行分析， 将已有的电路设计公式应用于实际开关电源的设计。对于第二个问题

2、， 随着计算机硬件和软件的发展以及仿真技术的不断完善， 人们可以利用仿真技术来解决开关电源产品开发和生产中存在的问题。本文在对基本的buck 变换器电路拓扑分析的基础上，对与之相关的正激变换器和双管正激变换器进行了分析，发现可以通过等效变换，从buck 变换电路的设计公式中推导出正激变换和双管正激变换电路的参数计算公式; 此外，采用pspice 仿真软件进行了电路仿真试验，仿真结果证明了开关电源电路设计的正确性。2 buck 变换的拓扑结构与参数设计基本 buck 变换器的电路拓扑结构如图 1 所示，由电压源 vi 、串联开关 s、续流二极管 vd 和由 lc 组成的电流负载组合而成，其中 l

3、 的大小决定输出电流纹波，而输出电压纹波则由 c 决定，这是最基本的一种直流变换器。图 1 基本的 buck 变换器文献 1 给出了 buck 变换器的电路设计公式，根据buck 变换器的输出公式 :式中 : 为占空比，且有 : ton/t ，则 vo/vi 。电感 l 的计算公式为 :式中 :f为开关频率 ;iomin 为输出最小电流。而电容 c 的计算公式为 :式中 : vo 为输出电压纹波。3 正激变换的公式推导3.1拓扑结构与工作模式一个单管正激变换器的主电路拓扑结构如图2 所示，由于正激变换器是在基本的buck 型变换器基础上多了一个隔离变压器t1 、一个二极管 vd1 和一个由回收

4、绕组 n3 和箝位二极管 vd3 构成的复位电路。由于电路形式发生了变化，所以设计时不能直接使用上述基本 buck 变换器的参数计算公式。本文通过对正激变换器工作模式的分析，采用等效变换方法将正激变换器等效为一个基本的buck 变换电路，由此可将基本 buck 变换电路的参数计算公式 (2) 和(3) 推广到一类正激变换器的参数计算，建立新的设计公式。图 2 单管正激变换器主电路结构正激变换器的工作模式为:(1) 当 v1 导通时，二极管 vd1 导通，输入电网经变压器耦合向负载传输能量，此时，滤波电感 l1 储能 ;(2) 当 v1 截止时，二极管 vd1 截止，电感 l1 中产生的感应电势

5、使续流二极管vd2 导通，电感 l1 中储存的能量通过二极管vd2 向负载释放。3.2等效变换与参数计算根据对正激变换器工作模式的分析，可以发现二极管 vd1 的通断与开关管 v1 的通断同步，因此可以将二极管 vd1 用一个等效开关管 v 代替，如果可以忽略 v1 的导通压降，则变压器副边绕组的感生电压为 :式中 :k 为变压器的匝比，且有kn1/n2 。如果用一个大小为vi 的电压源代替变压器副边绕组，就可以将整个正激变换器的输出边等效变换为一个基本的 buck 变换器。等效电路如图 3 所示，图中用开关 v 代替了图 2 电路中的开关管 v1 与二极管 vd1 的作用。由此，通过等效变换

6、的正激变换器主电路拓扑结构与图 1 所示的基本 buck 变换器的拓扑结构一致。这样，就可以采用基本 buck 变换器的参数计算公式 (2) 和 (3) 来设计正激变换器。图 3 等效 buck 变换器由图 3 可将公式 (2) 和 (3) 推广，得到等效后的正激变换器参数计算:（ 1） 占空比的计算 :（ 2） 滤波电感的计算 :（ 3） 滤波电容的计算 :式 (5) 、(6) 和(7) 即为正激变换器的参数计算公式， 从式 (5) 可知占空比不仅与输入输出电压有关， 还跟变压器的匝比有关， 与式 (2) 和式 (3) 相比，滤波电容与电感的计算也多了一个变压器的匝比参数 k。3.3计算公式

7、验证现通过 pspice 仿真来验证所推公式的正确性。设计一个正激变换器，要求其输入电压为 48vdc，输出电压为 12vdc，输出电流为 5a，输出电压纹波分量vo为 1v，开关频率 f 为 50khz。先选定 0.4 ，即 ton 8s，再由式 (5) 、 (6)和式 (7) 算出变压器的匝数比为 1.6 ， l1 15h， c124f ，而 rl vo/io 2.4 。在 pspice 下绘制电气原理图，并对其进行暂态时域分析，仿真时间设为 1ms。仿真输出电压波形如图 4 所示，可以看出，其输出电压在 0.2ms 后就已经稳定在所要求的 12v 上了，其输出纹波也完全符合要求， 从而证

8、明前面所推公式是正确的。图 4 双管正激变换器主电路4 开关电源设计举例现利用上述方法，设计一个双管正激型开关稳压电源，要求输入电压为 48vdc，输入变化范围为± 5，输出电压为 12vdc，输出电压纹波范围为 1v，输出电流为 5a，开关频率为 50khz。（ 1） 主电路参数计算选取双管正激电路作为开关稳压电源的主电路，如图 5 所示。其工作原理与单管正激变换器相同，只是这里的两个开关管同时导通和关断，且因为有 vda、vdb，不需另外的复位电路。控制电路则采用简单的电压控制模式。图 5 双管正激变换器主电路这里可以直接用正激变换器的公式计算其参数。由设计要求可知t 1/f 2

9、0s，r vo/io 2.4 ，iomin 11.5v/2.4 4.79a 。由于双管正激电路占空比最大只能为 0.5 ，因此可以选取当输入为 45.6v( 输入电压最小 ) 时，占空比为 0.45 ，然后由式 (5) 算出变压器的变比为 7/4 ，由式 (6) 求出电感 l=13 h，根据式 (7) 解出电容 c=25f 。(2) 控制电路参数计算开关电源采用占空比控制方式， 可分为电压模式控制和电流模式控制两大类。 电压模式控制仅有一个电压控制环， 电流模式控制中还存在电流内环。 这里采用电压模式控制， 如图 6 所示，运算放大器 u1 为电压控制器， 运算放大器 u2 为比较器。其控制原

10、理为， 取样于输出电压的反馈电压 uf 与给定电压 v3 相比较，经过比例积分环节， 输出电压再与锯齿波 v1 比较，产生一个 pwm波，去驱动开关管。图 6 开关稳压电源的控制电路控制电路采用 pi 电压调节器，需要确定的参数有 c2、r3 和 r2 ，还有输出采样电阻。选取取样电压为输出电压的 1/6 ，取样电阻的值最后根据调试结果确定。根据不同要求的输出电压，调节可变电阻 r6 ，以获得相应的给定电压。取截止频率为开关频率的 1/20 ，即 =0.0004s 。取 r2=10k ，先取放大倍数 kp=10，则 r3=100k ，c2=/r3=40pf 。5 仿真试验将设计的开关电源用 p

11、spice 进行仿真，首先在 pspice 下绘制电气原理图， 仿真电路如图 7 所示。再按上述步骤进行参数设计，最后进行仿真试验和电路调试，由于仿真试验的主要目的在于参数的确定和调试， 因此，为简便起见可暂不考虑保护电路的作用。调试后的各参数最佳值见图 7。图 7 开关稳压电源电路原理图将图 7 所示的开关电源控制电路图用 pspice 进行仿真，并进行暂态时域分析，仿真时间设为 2ms。仿真输出波形如图 8 所示 :图 8 vi 45v 时的 pwm波形、输出电压和取样电压波形图 9 vi 48v 时的 pwm波形和输出电压从图 8 可以看出，其输出电压和反馈电压均满足设计要求。从图 9 和 10 可以看到，虽然输入电压发生了变化，但该系统能实现对占空比的自动调节，使其输出电压稳定在所要求的 12v，而且输出纹波和稳定时间均满足设计要求。图 10 v