基于multisim控制方式的开关电源仿真研究
山东科技大学
电气与自动化工程学院
姓名：李强
学号：150831018
目录
一绪论 (1)
二实验目的 (1)
三实验要求 (1)
四主电路功率的设计 (1)
（1）buck 电路 (1)
（2）用Multisim软件参数扫描法计算 (2)
(3) 交流小信号模型中电路参数的计算 (4)
（4）采用小信号模型分析 (4)
五补偿网络的设计 (5)
六总电路图的设计 (7)
（1）总电路图的设计图 (9)
（2）总电路的仿真图 (10)
七心得体会 (11)
八参考文献 (11)
一绪论
Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路
二实验目的
(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；
(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；
(3) 学会使用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;
(4) 学会使用Multisim仿真软件对控制环节的仿真技术;
(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度.
三实验要求
输入直流电压(V IN)：15V；
输出电压(V O)：5V；
输出电流(I N)：1A；
输出电压纹波(V rr)：50mV；
基准电压(V ref)：1.5V；
开关频率(f s)：100kHz。
四主电路功率的设计
（1）buck 电路图4-1-1：
Q1
buck 电路 图4-1-1
rr rr
C L N
0.2V V R i I =
=?=250m Ω（出于实际考虑选择250m Ω） c*Rc 的乘积趋于常数50~80uF ，我使用62.5μΩ*F ，由式(1)可得R C =250mohm ，C =250μF （出于实际考虑取250μF ）
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示：
IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=?
O L D L OFF /V V V L i T ++=?
设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V 。 经计算得 L=87.66uH 。（注：在实际电路中，取L=88μH ） （2）用Multisim 软件参数扫描法计算：
当L=70uH 时，输出电压纹波4-2-1
当L=80uH 时，输出电压纹波如图4-2-2
如图4-2-2
当L=87.66uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-1
图4-2-1
当L=90uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-3
图4-2-3
(3)交流小信号模型中电路参数的计算如下：
占空比： g
V V D =
直流增益： g d V D
V
G ==0，00lg 20d dB
d G G =
双重极点频率： LC
f p p ππ
ω2120
0=
=
品质因数： ==L
C
R
Q 0，00lg 20Q Q dB
=
在具有双重极点的传递函数中，频率特性在极点频率附近变化非常剧烈，其中相频特性变化非常剧烈段的起始频率f a 和终止频率f b ，由下可以确定：
02/1010p Q a f f -=
02/1010p Q b f f =
（4）采用小信号模型分析
经分析得Buck 变换器原始回路增益函数G O (s)为：
()LC
s R
L s sCR V s H V s G C IN m
O 211)(1
)(+++??=
＝286610196.210532.171)105.621(153.05.11s s s ---?+?+?+?? ＝2
86610196.210532.171105.1873s
s s ---?+?+?+
假设PWM 锯齿波幅值V m ＝1.5V ，R X ＝3Ωk ，R y ＝1.3Ωk ，由此可得采样网络传递函数
)(s H =0.3，原始回路直流增益)(s Ao ＝3。
双重极点频率:
LC
f P P ??=
?=
14.32114
.320
0ω=1.076kHz
用matlab 画出的G0（s ）的伯德图：
程序：
num=[0.000225 3];
den=[0.000000053 0.000034994 1]; [mag1,phase1,w1]=bode(num,den); margin(mag,phase,w)
-60-40-20020
40M a g n i t u d e (d B )10
10
10
10
10
10
-180
-135-90-45045P h a s e (d e g )
Bode Diagram
Gm = Inf , P m = 40.3 deg (at 1.49e+003 Hz)
Frequency (Hz)
如图所得，该系统相位裕度 40.3度，穿越频率为1.49e+003Hz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度。 使其快速性和稳定性增加。
五 补偿网络的设计
设计步骤
步骤1 本设计采用的PD 补偿网络进行设计，PD 补偿网络的电路图如图5所示
PD 补偿网络其传递函数为：
()P
Z
C C s
s
G s G ωω+
+
?
=110 ，P C Z ωωω<< （5）
0210R R R G C +-
= ,1
31C R P ?=ω ,()1321//1
C R R R Z +=ω（6）
步骤2 确定补偿网络的参数。为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率f c 是开关频率f s 的五分之一,即
f c =f s /5=20 KHz
设相位裕度?=52m ?。PD 补偿网络的零、极点频率计算公式为：
KHz f f KHz f f m m c
p m m c z 5852
sin 152
sin 120sin 1sin 18.652
sin 152sin 120sin 1sin 1=-+?=-+==+-?=+-=?
?
?
?
????
（7）
由式（6）可得：
K
f K
f P P Z Z 4.36428.422====πωπω (8)
PD 补偿网络直流增益为：
7958
8
.6317602012
02
00=????? ??=?
???
? ??=K f f A
f f G P Z p c c （9）
由式（7）、（8），可得PD 补偿网络的传递函数G C (s)为：
()s s s s
s G C 6
53
31074.211034.2179104.3641108.42179--?+?+?=?+
?+?=（10） 根据上面计算，可绘出PD 补偿网络传递函数G C (s)的波特图如图6所示， 整个系统的传递函数为：
()()()(
)(
)(
)
s
s s s s s G s G s G C 6
8263
6501074.2110196.210532.17110125105001)1034.21(379------?+???+??+????+??+??== （11） 其波特图如下图所示
由Matlab 绘制的波特图可知，?==5.52,9.19m c KHz f ?,满足设计要求。
图1 PD 补偿网络开环传递函数波特图
图2 系统总回路传递函数波特图
步骤3 补偿网络电路中的参数计算 由式（6）的三个计算公式可得：
()K
C R R R K C R R R R 8.42//1
4.3641
791
3211
302
1=+=?=+
设R 1=R 2=30K ，由上式可得：
R 0=0.76K ，R 3=2K ，C 1=1.37nF （注:在实际电路中，取：R 0=0.8K ，R 3=2K ，C 1=1.5nF ） 由于，有20%~100%的负载扰动，
Ω
=Ω==ΩΩ
==25.65//25252.052.0%20n n N R R R A
V
A I
六总电路图的设计
（1）总电路图的设计图6-1-1
图6-1-1
（2）总电路的仿真图
图6-1-2
（3）输出电压纹波
由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。
总电路图设计采用Multisim软件。
Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)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。
七心得体会
本文以Buck变换器为研究对象，学习了PD补偿网络在恒压原单环控制中的应用特点，关注了稳态误差、瞬态响应和高频干扰抑制能力。通过理论的研究和公式推导设计出了PD控制小信号模型和传递函数，并且设计出了具体的电路的参数，以及对设计的电路进行了仿真。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PD 控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Multisim，Matlab等仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。
八参考文献
[1] 张建生主编.《现代仪器电源》[M] .北京：科学出版社2005：1-26.
[2] 王兆安，黄俊主编.《电力电子技术》[M] .北京：机械工业出版社，2000：94-96.
[3] 陈丽兰主编.《自动控制原理》[M] .北京：电子工业出版社，2006：73-74.
[4] 张卫平主编.《开关变换器的建模与控制》[M] .北京：中国电力出版社，2005：134-141.
[5] 徐德鸿译.《电力电子系统建模及控制》[M] .北京：机械工业出版社，2005：174-180.
[6] 张晋格主编.《控制系统CAD》[M] .北京：机械工业出版社，2004：128-134.
基于PD控制方式的1A开关电源Multisim 仿真研究 学院：电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级：
引言 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求。 1.Buck 变换器主电路设计 1.1技术指标 输入直流电压（V IN ）：10V 输出电压（V O ）：5V 输出电流（I N ）：1A 输出纹波电压（V rr ）：50mV 基准电压（V ref ）：1.5V 开关频率（f s ）：100KHZ 图1 1.2主电路各参数计算 滤波电容参数计算 输出纹波电压只与电容C 的大小以及用量有关 （1）Ω=?=?=?= m I V i V R N rr L C 2501 2.050 2.0rr 但C 与R C 的乘积趋于常数,约为50～80μΩ·F 。本例中取为75μΩ·F 。由式( 1) 可得： -375F C= =300F 25010μμΩ??Ω
1.3滤波电感参数计算 根据基尔霍夫电压方程,可知开关管S 闭合与导通状态输入电压和输出电压满足如下关系: ）（3T i L V V V O F F L D L O ?= ++ 假设二极管通态压降V D =0.5V ，电感L 中的电阻压降V L =0.1V ，开关管S 导通压降V ON =0.5V 。 ON T 2 .0L 4.45.0-1.0-5-10?= = ON T s -?= =++μ102 .0L 6.55.01.05 由 f T T off on 1 = +，解得T ON =5.6μs，L=123.2μH。 1.4采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真 输出电压和电流以及输出纹波如下： 当L=113.2uH 时 图2 ）（2T i V -V -V -V ON L ON L O IN ? =
开关电源的冲击电流控制方法 开关电源的输入一般有滤波器来减小电源反馈到输入的纹波，输入滤波器一般有电容和电感组成∏形滤波器，图1. 和图2. 分别为典型的AC/DC电源输入电路和DC/DC电源输入电路。 由于电容器在瞬态时可以看成是短路的，当开关电源上电时，会产生非常大的冲击电流，冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多，如对冲击电流不加以限制，不但会烧坏保险丝，烧毁接插件，还会由于共同输入阻抗而干扰附近的电器设备。
图3.通信系统的最大冲击电流限值（AC/DC电源） 图4.通信系统在标称输入电压和最大输出负载时的冲击电流限值（DC/DC电源） 欧洲电信标准协会(the European Telecommunications Standards Institute)对用于通信系统的开关电源的冲击电流大小做了规定，图3为通信系统用AC/DC电源供电时的最大冲击电流限值[4]，图4为通信系统在DC/DC电源供电，标称输入电压和最大输出负载时的最大冲击电流限值[5]。图中It为冲击电流的瞬态值，Im为稳态工作电流。 冲击电流的大小由很多因素决定，如输入电压大小，输入电线阻抗，电源内部输入电感及等效阻抗，输入电容等效串连阻抗等。这些参数根据不同的电源系统和布局不同而不同，很难进行估算，最精确的方法是在实际应用中测量冲击电流的大小。在测量冲击电流时，不能因引入传感器而改变冲击电流的大小，推荐用的传感器为霍尔传感器。
2. AC/DC开关电源的冲击电流限制方法 2.1 串连电阻法 对于小功率开关电源，可以用象图5的串连电阻法。如果电阻选得大，冲击电流就小，但在电阻上的功耗就大，所以必须选择折衷的电阻值，使冲击电流和电阻上的功耗都在允许的范围之内。 图5. 串连电阻法冲击电流控制电路（适用于桥式整流和倍压电路，其冲击电流相同）串连在电路上的电阻必须能承受在开机时的高电压和大电流，大额定电流的电阻在这种应用中比较适合，常用的为线绕电阻，但在高湿度的环境下，则不要用线绕电阻。因线绕电阻在高湿度环境下，瞬态热应力和绕线的膨胀会降低保护层的作用，会因湿气入侵而引起电阻损坏。 图5所示为冲击电流限制电阻的通常位置，对于110V、220V双电压输入电路，应该在R1和R2位置放两个电阻，这样在110V输入连接线连接时和220V输入连接线断开时的冲击电流一样大。对于单输入电压电路，应该在R3位置放电阻。 2.2 热敏电阻法 在小功率开关电源中，负温度系数热敏电阻（NTC）常用在图5中R1，R2，R3位置。在开关电源第一次启动时，NTC的电阻值很大，可限制冲击电流，随着NTC的自身发热，其电阻值变小，使其在工作状态时的功耗减小。 用热敏电阻法也由缺点，当第一次启动后，热敏电阻要过一会儿才到达其工作状态电阻值，如果这时的输入电压在电源可以工作的最小值附近，刚启动时由于热敏电阻阻值还较大，它的压降较大，电源就可能工作在打嗝状态。另外，当开关电源关掉后，热敏电阻需要一段冷却时间来将阻值升高到常温态以备下一次启动，冷却时间根据器件、安装方式、环境温度的不同而不同，一般为1分钟。如果开关电源关掉后马上开启，热敏电阻还没有变冷，这时对冲击电流失去限制作用，这就是在使用这种方法控制冲击电流的电源不允许在关掉后马上开启的原因。
开关电源的数字控制实现方案 类别：电子综合阅读：5732 尽管业内不少人都认为，模拟和数字技术很快将争夺电源调节器件控制电路的主导权，但实际情况是，在反馈回路控制方面，这两种技术看起来正愉快地共存着。 的确，许多电源管理供应商都提供了不同的方案。一些数字控制最初的可编程优势现在甚至在采用模拟反馈回路的控制器和稳压器中也有了。当然，数字电源还是有一些吸引人之处。 本文主要讨论脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)和脉冲频率调制(PFM)开关稳压器和控制器IC。其中一些集成了控制实际开关的一个或多个晶体管的驱动器，另一些则没有。还有一些甚至集成了开关FET，如果它们提供合适的负荷的话。因此，数字还是模拟的问题取决于稳压器的控制回路如何闭合。 图1显示了两种最常见的PWM开关拓朴布局的变化，降压和升压(buck/boost)转换器。在同步配置中，第二只晶体管将取代二极管。在某种意义上来讲，脉冲宽度调制的采用使得这些转换器“准数字化”，至少可与基于一个串联旁路元件的723型线性稳压器相比。事实上，PWM使得采用数字控制回路成为可能。不过，图1中的转换器缺少控制一个或几个开关占空比的电路，它可在模拟或数字域中实现。 不管采用模拟还是数字技术，都有两种方式实现反馈回路：电压模式和电流模式。简单起见，首先考虑它在模拟域中如何实现。 图1: 没有控制器的开关模式DC-DC电源十分简单。不论用于升压还是降压，其成功与否取决于设计者如何安排一些基本的元器件。 在电压模式拓朴中，参考电压减去输出电压样本就可得到一个与振荡器斜坡信号相比较的小误差信号(图2)，当电路输出电压变化时，误差电压也产生变化，后者反过来改变比较器的门限值。反过来，这将使输出信号宽度发生变化。这些脉冲控制稳压器开关晶体管的导通时间。随着输出电压升高，脉冲宽度将变小。 图2: 电压模式反馈(本例中在模拟域)包含一个控制回路。 电流模式控制的一个优势在于其管理电感电流的能力。一个采用电流模式控制的稳压器具有一个嵌套在一个较慢的电压回路中的电流回路。该内回路感应开关晶体管的峰值电流，并通过一个脉冲一个脉冲地控制各晶体管的导通时间，使电流保持恒定。 与此同时，外回路感应直流输出电压，并向内回路提供一个控制电压。在该电路中，电感电流的斜率生成一个与误差信号相比较的斜坡。当输出电压下跌时，控制器就向负载提供更大的电流(图3)。 图3: 电流模式反馈采用了嵌套反馈回路。与电压模式不同，它需要计入电感上的电流。 在这些控制拓朴中，在回路的相移达到360°的任意频率处，控制回路的增益不能超过1。相移包括了将控制信号馈入反馈运放的倒相输入端所产生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延迟、以及由电容和电感(特别是输出滤波器的大电容)引入的延迟。 稳定回路要求对一定频率范围内的增益变化和相移进行补偿。传统上，采用模拟PWM 来稳定电源通常需要采用经验方法：你在一块与生产型电路板相同布局的实际电路板上，实
开关电源常见故障及维修方法： 1.保险烧或炸 主要检查300V上的大滤波电容、整流桥各二极管及开关管等部位，抗干扰电路出问题也会导致保险烧、发黑。需要注意的是：因开关管击穿导致保险烧一般会把电流检测电阻和电源控制芯片烧坏。负温度系数热敏电阻也很容易和保险一起被烧坏。 2.无输出，保险管正常 这种现象说明开关电源未工作或进入了保护状态。首先要测量电源控制芯片的启动脚是否有启动电压，若无启动电压或者启动电压太低，则要检查启动电阻和启动脚外接的元件是否漏电，此时如电源控制芯片正常，则经上述检查可以迅速查到故障。若有启动电压，则测量控制芯片的输出端在开机瞬间是否有高、低电平的跳变，若无跳变，说明控制芯片坏、外围振荡电路元件或保护电路有问题，可先代换控制芯片，再检查外围元件;若有跳变，一般为开关管不良或损坏。 3.有输出电压，但输出电压过高 这种故障一般来自于稳压取样和稳压控制电路。在直流输出、取样电阻、误差取样放大器如TL431、光耦、电源控制芯片等电路共同构成一个闭合的控制环路，任何一处出问题就会导致输出电压升高。 4.输出电压过低 除稳压控制电路会引起输出电压低，还有下面一些原因也会引起输出电压低： a.开关电源负载有短路故障（特别是DC/DC变换器短路或性能不良等），此时，应该 断开开关电源电路的所有负载，以区分是开关电源电路还是负载电路有故障。若断 开负载电路电压输出正常，说明是负载过重;或仍不正常说明开关电源电路有故障。 b.输出电压端整流二极管、滤波电容失效等，可以通过代换法进行判断。 c.开关管的性能下降，必然导致开关管不能正常导通，使电源的内阻增加，带负载能 力下降。 d.开关变压器不良，不但造成输出电压下降，还会造成开关管激励不足从而屡损开关 管 e.300V滤波电容不良，造成电源带负载能力差，一接负载输出电压便会下降。
开关电源的用途 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 开关电源的主要类型和分类 开关电源的主要类型 现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC 转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。
直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器 隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种单管DC/DC 转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。
第一章概述 1、1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器(DC-DC)就是一种将直流基础电源转变为其她电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V,由于在通信系统中仍存在?24V(通信设备)及+12V、+5V(集成电路)的工作电源,因此,有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源,以供实际使用。D C/DC变换就是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。主要有 (1)Buck电路——降压斩波,其输出平均电压小于输入电压,极性相同。 (2)Boost电路——升压斩波,其输出平均电压大于输入电压,极性相同。 (3)Buck－Boost电路——降压―升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电感传输。 (4)Cuk电路——降压或升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1、2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80～90)%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商、2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200～300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
开关电源控制模式的探讨 随着科学技术的发展，开关电源数字化、模块化、高频化的实现，促进了开关电源控制技术的不断发展。文章主要对开关电源控制模式进行分析，结合开关电源发展的历程，探讨了开关电源数字化控制技术以及电流型控制模式，以供参考。 标签：开关电源；控制模式；电子技术 1 开关电源概述 开关电源是在现代电子电力技术的发展基础上，控制开关管的开通及关断时间比率，以稳定输出电压的一种特殊的电源。一般来说，开关电源由脉冲宽度调制控制IC、MOSFET组成。随着科学技术的发展，开关电源技术也不断进行改革和创新。开关电源效率能够高达85%，与普通线性电源相比，开关电源的利用效率提高了一倍。同时，开关电源采用了小体积的滤波元件及散热器，可靠性、安全性也较高。从开关电源的类别来看，可以分成AC/AC、DC/DC等类型，其中，DC/DC开关电源的变换器已经实现了模块化设计和发展，因而得到用户普遍认可。 从开关电源的产生和发展来看，自上个世纪六十年代以来，由于晶闸管控制模式的出现，大大促进了开关电源的发展。到七十年代初期，开关电源进入了长时期的瓶颈时期，开关电源的效率问题更加突出。直至七十年代后期，由于集成电技术的创新，催生了各种开关电源芯片的产生。当前，集成化电源已经广泛应用于航天、彩电、计算机等各个领域中，随着半导体技术、电子技术的快速发展，电子设备的总量和体积不断减小，导致电源体积与电子设备的体积不相匹配。因此，开关电源体积成为当前研究的重点。 从我国开关电源的研究情况来看，在上个世纪六十年代，我国已经成功研制出稳压电源。经过十年的发展，稳压电源已经成功应用于电视机和中小型计算机。到八十年代，我国已经成功研制出了0.5～5MHz谐振的软开关电源。从八十年代起，我国开关电源进入了大规模更新换代的时期，现代晶闸管稳压电源逐渐取代了传统铁磁稳压电源，对办公自动化产生了很大的影响。进入九十年代，我国成功研制了新型专用的开关电源，供特殊行业使用，如卫星及远程导弹系统所使用的开关电源。经历了约半个世纪的发展，我国开关电源技术研发已经取得了较大的成就，开关电源应用范围也逐渐扩展，但与国外开关电源技术相比，在使用方法和集成度方面，我国还存在很大的不足，还应该继续加强开关电源研究及应用。 2 开关电源数字控制技术分析 近年来，随着计算机技术及网络技术的快速发展，数字控制技术在社会生产生活中广泛应用。数字控制技术的产生，是由于控制领域的监控和计算任务的要
《电子技术Ⅱ课程设计》 报告 姓名 xxx 学号 院系自动控制与机械工程学院 班级 指导教师 2014 年 6 月18日
目录 1、目的和意义 (3) 2、任务和要求 (3) 3、基础性电路的Multisim仿真 (4) 3.1 半导体器件的Multisim仿真 (4) 3.11仿真 (4) 3.12结果分析 (4) 3.2单管共射放大电路的Multisim仿真 (5) 3.21理论计算 (7) 3.21仿真 (7) 3.23结果分析 (8) 3.3差分放大电路的Multisim仿真 (8) 3.31理论计算 (9) 3.32仿真 (9) 3.33结果分析 (9) 3.4两级反馈放大电路的Multisim仿真 (9) 3.41理论分析 (11) 3.42仿真 (12) 3.5集成运算放大电路的Multisim仿真（积分电路） (12) 3.51理论分析 (13) 3.52仿真 (14) 3.6波形发生电路的Multisim仿真（三角波与方波发生器） (14) 3.61理论分析 (14) 3.62仿真 (14) 4.无源滤波器的设计 (14) 5.总结 (18) 6.参考文献 (19)
一、目的和意义 该课程设计是在完成《电子技术2》的理论教学之后安排的一个实践教学环节.课程设计的目的是让学生掌握电子电路计算机辅助分析与设计的基本知识和基本方法，培养学生的综合知识应用能力和实践能力，为今后从事本专业相关工程技术工作打下基础。这一环节有利于培养学生分析问题，解决问题的能力，提高学生全局考虑问题、应用课程知识的能力，对培养和造就应用型工程技术人才将能起到较大的促进作用。 二、任务和要求 本次课程设计的任务是在教师的指导下，学习Multisim仿真软件的使用方法，分析和设计完成电路的设计和仿真。完成该次课程设计后，学生应该达到以下要求： 1、巩固和加深对《电子技术2》课程知识的理解； 2、会根据课题需要选学参考书籍、查阅手册和文献资料； 3、掌握仿真软件Multisim的使用方法； 4、掌握简单模拟电路的设计、仿真方法； 5、按课程设计任务书的要求撰写课程设计报告，课程设计报告能正确反映设计和仿真结果。
基于PID控制方式的8A开关电源Psim 仿真研究 学院：电气与光电学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 时间：2016年04月04日
1、绪论 开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。 常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。 2、基于PID控制方式的Buck电路的综合设计 Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。 2.1设计指标 输入直流电压(V IN)：10V； 输出电压(V O)：5V； 输出电流(I I N)：8A； 输出电压纹波(V rr)：50mV； 基准电压(V ref)：1.5V； 开关频率(f s)：100kHz。 Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。
您现在的位置是:仿真平台>仿真软件使用 Multisim 2001 使用简介 Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例（样例文件见光盘）。 第一节Multisim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。 一、Multisim的主窗口界面。 启动Multisim 2001后，将出现如图1所示的界面。
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。 二、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。 1. 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。
Multisim10仿真软件简介与使用 Multisim10.0是加拿大交互图像技术公司推出的最新电子仿真软件，是Multisim系列的改进版。该版使文件管理和操作更方便，元件调用更便捷，元件的标注更加直观实用，增加了仿真的真实感，使虚拟的电子实验平台更加接近实际的实验平台。Multisim10.0是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。 1．Multisim10.0的基本操作界面 Multisim10.0软件以图形界面为主，具有一般Windows应用软件的风格，可以使用户自如使用。启动Multisim10.0后，出现如图3-4-1界面。 仪器仪表栏菜单栏工具栏 仿真电源开关元器件栏 状态栏 电路工作区 图3-4-1 主界面窗口 （1）菜单栏 Multisim10.0的菜单包括主菜单、一级菜单和二级菜单，通过菜单可以对Multisim10.0的所有功能进行操作。如图3-4-2所示。 图3-4-2 主菜单 （2）工具栏 Multisim10.0提供了多种工具栏，如系统工具栏、主工具栏、元件工具栏、仪表工具栏。 ①系统工具栏提供了文档常用的新建文件、打开文件、保存文件、打印、放大、缩 小等操作。如图3-4-3所示。 图3-4-3 系统工具栏 ②元件工具栏提供了从Multisim元件数据库中选择、放置元件到原理图中的按钮。如图3-4-4所示。从左到右元件库依次为电源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、模拟元件库、TTL库、CMOS库、其它数字元件库、数模混合元件库、指示器库、电源器件库、混合项元件库、高级的外设器件库、射频元件库、电气元件库、MCU器件库、设置层次库、放置总线库。
Multisim7仿真分析命令介绍 1. 直流工作点分析（DC Operating Point Analysis） 直流工作点分析是对电路进行直流分析，分析完毕后给出电路中所有结点的电压和所有直流电压源中的电流。 进行直流工作点分析时，系统会自动假定电路的交流信号为0，且电路中的电容开路，电感短路。 以单管共射放大电路为例介绍如何用直流工作点分析得到电路中部分结点的电压和流过元器件内部结点的电流。 单管共射放大电路 （1）电路结点标注 点击主菜单Options->Preferences，选中circuit页show区中，点击OK按钮返回电路图窗口。
Preferences窗口的Circuit页 （2）仿真方式选择 点击主菜单Simulate->Analysis-> DC Operating Point Analysis。 DC Operating Point Analysis窗口
（3）输出变量选择 Output Variables页用来选定输出分析的变量。 在DC Operating Point Analysis窗口的Output variables页窗口中，左边Variables in circuit区中给出了针对电路中已标注的所有结点，该分析方法能够分析计算的所有变量。可以通过选中需要分析计算的变量点击Add的方法将想要观测的变量添加到右边Select variables for区中，用于软件后台的分析计算。 选择输出变量 其中，$1表示结点1的电压，vv2#branch表示流经电源V2的电流。（4）内部结点添加 有些情况下，元器件有内部结点的存在（如：三极管），若想分析计算元器件内部结点的电流电压参数，可选择左边Variables in circuit区下边的 ，在more options中选择添加元器件模型和想要分析计算的参数。
基于PID控制方式的3A开关电源MATLAB仿真研究 学院：电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 一绪论 Buck变换器是最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck 族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电
流-电压双环设计控制环路。开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。
常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本次设计就采用PID控制方式。 二设计过程 各项技术指标： 输入直流电压(V IN)：10； 输出电压(V O)：5V； 输出电流(I N)：3A； 输出电压纹波(V rr)：50mV； 基准电压(V ref)：1.5V； 开关频率(f s)：100kHz。 设计任务： 1.依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真； 2.掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数； 3.采用Matlab绘制控制对象的Bode图； 4.补偿网络设计，根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性，采用PID调节方 式。 5.采用Matlab绘制补偿器和变换器的Bode图； 6.综合仿真，采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的 负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。 2.1 主电路设计：
第一章概述 1.1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器（DC-DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V，由于在通信系统中仍存在?24V（通信设备）及+12V、+5V（集成电路）的工作电源，因此，有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。D C/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。主要有 （1）Buck电路——降压斩波，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。 （2）Boost电路——升压斩波，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。 （3）Buck－Boost电路——降压―升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反,电感传输。 （4）Cuk电路——降压或升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1.2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商.2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。
电子电路仿真应用手册 2009年6月 前言 本手册基于Multisim V7仿真环境，从最基本的仿真电路图的建立开始，结合实际的例子，对模拟和数字电路中常用的测试方法进行介绍。这些应用示例包括：常用半导体器件特性曲线的测试、放大电路静态工作点和动态参数的测试、电压传输特性的测试、波形上升时间的测试、逻辑函数的转换与化简、逻辑分析仪的使用方法等。 更高版本的Multisim仿真环境与之类似。此外，本手册侧重于测试方法的介绍，仅对主要步骤进行说明，如碰到更细节的问题，可参阅《Multisim V7教学版使用说明书》或其它帮助文档。 目录 1 Multisim主界面简介 (2) 2仿真电路图的建立 (2) 3常用半导体器件特性曲线的测试方法 (3) 3.1 晶体三极管特性曲线的测试 (3) 3.1.1 IV分析仪测试方法 (3) 3.1.2 直流扫描分析方法 (3) 3.2 结型场效应管特性曲线的测试 (4) 3.2.1 IV分析仪测试方法 (4) 3.2.2 直流扫描分析方法 (4) 3.3 二极管、稳压管伏安特性曲线的测试 (5) 4放大电路静态工作点的测试方法 (5) 4.1 虚拟仪器测试方法 (5) 4.2 静态工作点分析方法 (5) 5放大电路动态参数的测试方法 (6) 5.1 电压放大倍数的测试 (6) 5.1.1瞬态分析测试方法 (6) 5.1.2虚拟仪器测试方法 (6) 5.2 输入电阻的测试 (6) 5.3 输出电阻的测试 (7) 5.4频率响应的测试 (7) 5.4.1交流分析方法 (7) 5.4.2 波特图仪测试方法 (7) 6电压传输特性的测试方法 (8) 7上升时间的测试方法 (9) 8逻辑函数的转换与化简 (10) 8.1 逻辑函数转换为真值表 (10) 8.2 真值表转换为逻辑函数 (10) 9逻辑分析仪的使用方法 (11)
基于PI控制方式的7A开关电源MATLAB仿真研究 学院：电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 目录 0 绪论 --------------------------------------------------------------------- 3
1 设计要求 ----------------------------------------------------------------- 3 2 主电路参数计算 ----------------------------------------------------------- 3 2.1 电容参数计算 --------------------------------------------------------- 4 2.2 电感参数计算 --------------------------------------------------------- 4 3 补偿网络设计 ------------------------------------------------------------- 5 3.1原始系统的设计 -------------------------------------------------------- 5 3.2补偿网络相关参数计算 -------------------------------------------------- 6 4 负载突加突卸 ------------------------------------------------------------- 9 4.1满载运行 -------------------------------------------------------------- 10 4.2突加突卸80%负载 ------------------------------------------------------ 10 4.3 电源扰动20% --------------------------------------------------------- 11 5 小结 -------------------------------------------------------------------- 13 参考文献 ------------------------------------------------------------------ 13 一、绪论 随着电子技术的不断发展对电源的要求也不断的提高，开环的电源应该说早就不能满足要 求，无论是在输出参数的精度还是抗干扰能力方面都比不上闭环控制系统。为了使某个控制对 象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，
基于multisim控制方式的开关电源仿真研究 山东科技大学 电气与自动化工程学院 姓名：李强 学号：150831018
目录 一绪论 (1) 二实验目的 (1) 三实验要求 (1) 四主电路功率的设计 (1) （1）buck 电路 (1) （2）用Multisim软件参数扫描法计算 (2) (3) 交流小信号模型中电路参数的计算 (4) （4）采用小信号模型分析 (4) 五补偿网络的设计 (5) 六总电路图的设计 (7) （1）总电路图的设计图 (9) （2）总电路的仿真图 (10) 七心得体会 (11) 八参考文献 (11) 一绪论 Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路 二实验目的 (1)了解Buck变换器基本结构及工作原理； (2) 掌握电路器件选择和参数的计算； (3) 学会使用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真; (4) 学会使用Multisim仿真软件对控制环节的仿真技术; (5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度. 三实验要求 输入直流电压(V IN)：15V； 输出电压(V O)：5V； 输出电流(I N)：1A； 输出电压纹波(V rr)：50mV； 基准电压(V ref)：1.5V； 开关频率(f s)：100kHz。 四主电路功率的设计 （1）buck 电路图4-1-1：
Q1 buck 电路 图4-1-1 rr rr C L N 0.2V V R i I = =?=250m Ω（出于实际考虑选择250m Ω） c*Rc 的乘积趋于常数50~80uF ，我使用62.5μΩ*F ，由式(1)可得R C =250mohm ，C =250μF （出于实际考虑取250μF ） 开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=? O L D L OFF /V V V L i T ++=? 设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V 。 经计算得 L=87.66uH 。（注：在实际电路中，取L=88μH ） （2）用Multisim 软件参数扫描法计算： 当L=70uH 时，输出电压纹波4-2-1 当L=80uH 时，输出电压纹波如图4-2-2
Multisim使用手册 Multisim是一种EDA仿真工具，它为用户提供了丰富的元件库和功能齐全的各类虚拟仪器。 A1 Multisim 8 基本界面 启动Windows“开始”菜单“所有程序”中的Electronics Workbench/Multisim 8，打开Multisim 8的基本界面如图A1－1所示。 Multisim 8的基本界面主要由菜单栏、系统工具栏、快捷键栏、元件工具栏、仪表工具栏、连接https://www.doczj.com/doc/1516482616.html,按钮、电路窗口、使用中的元件列表、仿真开关(Simulate)和状态栏等项组成。 图A1-1 Multisim 8的基本界面 A1.1 菜单栏 与所有Windows应用程序类似，菜单中提供了软件中几乎所有的功能命令。Multisim 8菜单栏包含着11个主菜单，如图A1-2所示，从左至右分别是File(文件菜单)、Edit(编辑菜单)、View(窗口显示菜单)、Place(放置菜单)、Simulate(仿真菜单)、Transfer(文件输出菜单)、Tools(工具菜单)、Reports（报告菜单）、Options(选项菜单)、Window（窗口菜单）和Help(帮助菜单)等。在每个主菜单下都有一个下拉菜单。
A1-2 菜单栏 1.File(文件)菜单 主要用于管理所创建的电路文件，如打开、保存和打印等，如图A1-3所示。 图A1－3 File菜单 New:提供一个空白窗口以建立一个新文件。 Open:打开一个已存在的*.ms8、*.ms7、*.msm、*.ewb或*.utsch等格式的文件。 Close:关闭当前工作区内的文件。 Save:将工作区内的文件以*.ms8的格式存盘。 Save As:将工作区内的文件换名存盘，仍为*.ms8格式。 Print..:打印当前工作区内的电路原理图。 Print Preview：打印预览。 Print Options：打印选项，其中包括Printer Setup（打印机设置）、Print Circuit Setup(打印电路设置)、Print Instruments（打印当前工作区内的仪表波形图）。 Recent Circuits:最近几次打开过的文件，可选其中一个打开。 New Project、Open Project、Save Project和Recent Projects命令是指对某些专题文件进行的处理，仅在专业版中出现，教育版中无功能。 2．Edit（编辑）菜单 主要用于在电路绘制过程中，对电路和元件进行各种技术性处理，如图A1－4所示。
基于PI控制方式的6A开关电源PSIM仿真研究 学院：电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级：
绪论 开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。 常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例+积分+微分（PID）等三种类型。PI 控制器提高了系统的类型，从而有效地改善了系统的稳态误差，但稳定性会有所下降。PD控制器可以预测作用误差，使修正作用提前发生，从而有助于增强系统的稳定性。PID控制器保持了PI控制器改善系统稳定性能的优点，同时多提供一个负实数零点，使得在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 1.基于PI控制方式的Buck电路的综合设计 Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck 族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。 2.1技术指标 输入直流电压(VIN)：10V 输出电压(VO)：5V； 输出电流(IN)：6A； 输出电压纹波(Vrr)：50mV； 基准电压(Vref)：1.5V； 开关频率(fs)：100kHz。 2.2 Buck主电路的参数设计 Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。