【《开关电源电路仿真基础概述》3100字】

开关电源电路仿真基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u9903开关电源电路仿真基础概述 1247961.1开关电源的拓扑结构 1215911.2开关电源的工作原理 291091.3反激式开关电源工作原理 2188771.4反激式变换器的工作模式 3104461.4.1断续工作模式（DCM） 4121381.4.2连续工作模式（CCM） 499501.5计算机仿真与Saber仿真软件 5313901.5.1计算机仿真概述 5320541.5.2Saber仿真软件简介 61.1开关电源的拓扑结构开关电源一般分为直流-直流和交流-直流两类，这两类开关电源其实在本质上都是直流-直流开关变换器，故而对于开关电源的拓扑结构来说也就是直流-直流开关变换器这一种拓扑结构，相对来说较为常用的拓扑结构有以下几个：（1）降压式（Buck）变换器；（2）升压式（Boost）变换器；（3）升降压式（Buck-Boost）变换器；（4）单端正激式变换器；（5）单端反激式（flyback）变换器；（6）半桥式变换器；（7）全桥式变换器；（8）推挽式变压器[8]。1.2开关电源的工作原理开关电源通过控制电路的作用，使得如晶体管、晶闸管、场效应管、等电子开关器件在工作过程中不断地在导通和关断这两种状态之间切换，并且利用电子开关器件实现对输入电压的脉冲调制的目的，从而完成交流-直流、直流-直流电压变换，并且能够自动稳压以及可以调整输出电压[9]。换言之，交流电源的电压输入在经过整流滤波电路的作用后变成直流电，接着利用高频PWM(也就是脉冲宽度调制)或PFM(也就是脉冲频率调制)实现对开关管的控制，直流电在这时再输入到开关变压器的一次侧，随后高频电压会在变压器的二次侧感应出来，同理，这个电压也会通过整流滤波电路作用之后供给负载。有时候会通过一定的补偿电路反馈给控制电路来反应输出部分，这里是通过控制PWM占空比，来稳定输出，使输出电压趋于一个稳定值。1.3反激式开关电源工作原理在BUCK-BOOST电路基础上通过一定的演变，然后得到反激式（flyback）开关变换器，这一类开关变换器是在功率开关管截止期间对负载进行能量的传输，其基本拓扑如下。图2-1反激式开关变换器反激式开关电源可以划分成两个不同的工作阶段：开关管Q1(即MOSFET管)导通期间和截止期间[10]。Q1导通期间：变压器T的初级电感线圈Np此时流过电流Ip,并且电感线圈储存能量(E=Lp*Ip2/2),因为变压器初级线圈Np和次级线圈Ns的极性是相反的，因此在变压器的次级部分输出整流二极管VD是反向截止的状态，这时负载没有能量传输。电压Ui连接在变压器T的初级线圈绕组Np上，初级电流Ip随之增大，储存的能量也随之增加，变压器的次级部分二极管VD此时将承受到反向电压，此时负载的能量由电容C2放电来提供。在开关管Q1导通期间，输入电压Ui是加在变压器的初级线圈绕组Np上的，次级的线圈绕组Ns的极性与初级线圈绕组Np极性恰恰是相反的，故次级的线圈绕组Ns上的感应电压Us=-(Ns/Np)Ui,整流二极管VD此时会反向截止，使用没有次级电流流过，储能滤波电容C2放电给整个回路负载提供能量，设导通时间TON时结束，初级电流从最小值ipmin增长到ipmax,并且是线性规律，表达式为i在开关管导通期间，增加的磁通量为ΔΦ（＋），根据电磁感应定律可知ΔΦQ1关断期间：由楞次定律分析，变压器的初级线圈绕组Np有反向感应电动势的产生，变压器次级部分的整流二极管VD此时也正向导通，此时有电流流过负载。二极管导通时，开关管Q1上的电压等于Ui+nUo,变压器给电容充电，初级电流和次级电流为：Is=nIp.在TON时刻，驱动脉冲电压为0，开关管Q1截止，变压器次级部分的整流管VD正向导通，变压器线圈电感储存的能量通过二极管VD向滤波电容C２提供能量充电，同时有输出电流流过负载。变压器的次级线圈电感设为LSI开关管Q1截止期间，变压器完成去磁作用，磁通量以线性规律减小，等于ΔΦ由磁通平衡的原理可以得到ΔΦ（＋）＝ΔΦ（-）。1.4反激式变换器的工作模式反激式变换器在稳态条件下工作时，每个周期结束时依据电感线圈此时是否放电到0，能够把变换器的工作模式划分为连续导通模式（即CCM），断续导通模式（即DCM），临界导通模式（BCM）[11]。连续导通模式和断续导通模式如图所示。图2-2断续模式与连续模式1.4.1断续工作模式（DCM）开关管截止期间，电感线圈放电到0，那么变压器次级电流也随之降低到0，可以说此时反激变换器是在断续导通模式工作的，即DCM模式。在功率开关管导通期间变压器将其在初级线圈中储存的能量全部传输到次级线圈中，工作过程为：开关管Q1导通时，初级电流IP以线性规律增加，导通结束时，初级电流IP也增大到最大值，开关管Q1截止瞬间，储存到变压器初级线圈中的能量传送到次级线圈，次级电流从最大值同样开始以线性规律减小，减小到0以后，开关管Q1关断，此下一个导通周期还未到来，所以电容将对负载进行能量的传输。1.4.2连续工作模式（CCM）开关管截止期间，电感线圈放电没有到0，则二次侧电流也没有降低到0，那么此时反激变换器工作在断续导通模式，即CCM模式。开关管Q1导通时，初级线圈中的电流IP从一个正值开始以线性规律增大，Q1关断瞬间，二次侧电流线性下降到这一正值。1.5计算机仿真与Saber仿真软件1.5.1计算机仿真概述近年来由于科学技术的巨大进步，具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等许多特点的计算机仿真技术，在电力、通信和能源等各领域都能看见它的应用。计算机仿真可以减少大量繁杂的人工劳动，避免因为误差模型造成不必要的损失，能在很大程度上节省设计成本并减少设计周期，极大地推动了电力电子行业的蓬勃发展[12]。在计算机的电力电子仿真中，不同的仿真软件和方法各有其特点以及针对性，当然也有其局限性，计算机仿真技术在现今的发展趋势中，出现了各种仿真软件，这些仿真软件也在拓宽其适用面，功能也更加丰富和强大，就目前而言，两种比较有代表性的方法是：（1）系统：建立的模型仿真忽略了高频分量对系统的影响。（2）元件：建立的模型仿真尽可能的考虑到每个元件的所有特性。计算机仿真的一般过程为图2-3计算机仿真的一般过程1.5.2Saber仿真软件简介Saber仿真软件是一款混合信号模拟仿真现代电子设计自动化软件，它是由美国的Synopsys公司设计推出的。作为混合技术优化设计、混合信号仿真以及验证工具的业界标准，它在电子、电力电子、机械、机电一体化、光学、光电、控制等领域内的各种类型系统构成的混合系统仿真，处理各种复杂的混合信号设计并对其验证设计合理性方面而言，功能极其强大。其在数字、模拟、控制量等方面的混合仿真兼容性高，从初始的系统开发到设计完成后的详细验证过程中可能会出现的等各种问题都能得到较好的解决[13]。Saber仿真软件包括SaberSketch和SaberDesigner两部分。绘制电路图是在SaberSketch中完成，而电路得仿真模拟分析则是在SaberDesigner中进行,可以在SaberScope和DesignProbe中查看仿真模拟得结果，其具有以下特点：（1）集成度高。绘制原理图和模拟仿真可以在一个仿真环境中进行；（2）完整的图形查看功能。（3）高级仿真功能完整。直流工作点分析、交流小信号分析、瞬态分析、直流扫描分析、蒙特卡罗分析、应力分析、零极点分析、傅里叶分析等仿真分析都能进行；（4）模块化和层次化。一个局部电路可以通过创建一个符号来代替，并应用于层次设计及模拟仿真；（5）强大的收敛性分析。Saber仿真器选择的算法，可以使得遇见收敛性问题的可能性降到最低。相对于其他电力电子领域内的仿真软件，Saber是具有一些独到的优势的，例如有：（1）无论是由底向上的系统验证抑或是自上而下的系统设计都能支持；（2