开关电源优秀稿2010.6.23(18)

基于Multisim的开关电源设计学生：管增辉指导教师：徐永贵摘要：本文从开关电源的基本结构出发，首先简单介绍了开关电源中的保护电路，然后又介绍了RCC变换器，对其工作原理、输出稳压、振荡占空比和振荡频率等进行了讨论，之后在这个基础上，又以一个实例说明了开关电源设计的相关问题，并对其中关键点处的电压、电流用Multisim进行了仿真，最后，简单介绍了一下开关电源中功率因数的问题，并对在新世纪中开关电源的发展趋势作了概括。

关键词：开关电源 Multisim RCC变换器功率因数仿真A bstract：From the basic structure of switch power supply, related contents are mentioned. Firstly, we briefly introduce into the protection circuit of switching power supply, secondly,we introduce into the most simplest converter for RCC-- RCC converter, then,the operational principle of output voltage oscillation SHCH and oscillation frequency are discussed, based on that, we illustrated with an example of the related problems design of switch power supply, and the key points of voltage or current is simulated with Multisim, finally, we make a simple introduction of switch power supply and power factor and the problems in the new century to the development trend of switch power supply is briefly summarized.Key words:switch power supply Multisim RCC converter and power factor the simulation一、前言Multisim是一款专门用于电子线路仿真的软件，这款新的软件在保留了EWB5.0形象、直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，也大大扩充了库中仿真元件的数目，并且将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示全部集中在同一窗口中，整个界面就像一个实验工作台。

特别新增了射频电路、VHDL、Verilog语言电路的仿真设计，成为讫今为止使用最方便、最直观的仿真软件。

本文通过该软件对升压式变换器电路进行仿真，说明运用Multisim仿真设计升压式开关电源的方法。

那么，什么是开关电源呢？凡是用半导体功率器件作开关，将一种电路形式转换成另一种电路形式的电路，叫做开关变换电路。

在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。

二、开关电源概述⒈开关电源的原理框图开关电源通常由六部分组成]1[。

第一部分是输入电路，它包括低通滤波器和一次整流。

交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行有源调整。

第三部分是功率转换，这是由电子开关和高频变压器来完成的。

第四部分是输出回路。

第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。

第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。

图2.1 脉宽调制式开关电源工作原理图⒉开关电源的调控方式和基本反馈类型开关电源有两种工作模式]2[ ：一种是连续模式CUM ，另一种是不连续模式DUM 。

基本反馈类型有四种：这四种形式的反馈电路的原理图分别如图2.2、图2.3、图2.4、图2.5所示。

图2.2 基本反馈电路 图2.3 改进的基本反馈电路脉宽调制一次整流低通滤波有源调整脉冲驱动 电子开关 高频变压器 二次整流 平滑滤波 误差放大器比较器 采样输出 基准电压直流输出V o交流输入电压 V i图2.4 配稳压管的光电耦合反馈电路图2.5 配TL431的精密光电耦合反馈电路三、开关电源主要回路设计简介⒈电压倍压整流技术开关电源整流方式一般采用桥式整流。

为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图3.1所示]4[。

在图3.1中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻Rv 和可控硅vs具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。

图3.1 倍压整流图图3.2 倍压整流的输出波形⒉桥式整流示意图图3.3 桥式整流示意图图3.4 桥式整流输出波形图⒊过压保护电路的设计输入保护电路如图3.5示。

输出过压保护在开关稳压电源中也是至关重要的，常用的方法是晶闸管短路保护]5[，其电路图]5[如图3.6示。

R1810KR19180R2028012345678910111213141516U1TL 494R?RES2SCRD11C10104p F/100VR212.2KR224.7KQ6D9D10Lou t -Co ut R8+Vcc图3.5 输入保护电路 图3.6 过压保护电路图四、 RCC 电路基础简介⒈ RCC 电路的工作原理图4.1 RCC 电路工作原理图下面说明实际应用中RCC 电路的工作过程]6[。

为简化稳态分析，可做如下近似：（1）忽略变压器漏感对主管T 1r 的集射极电压V CE 的影响，实际使用时需要RCD 箝位； （2）主电路输出电容足够大，输出绕组电压箝位于输出电压O V ； （3）稳态时电容C 2上的电压保持不变；（4）稳态时电阻R g 的作用可以忽略。

⒉电路的起动接通输入电源V n i 后，电流i g 通过电阻R g 流向开关晶体管T 1r 的基极，T 1r 导通，i g 称为起动电流。

在RCC 方式中，晶体管T 1r 的集电极I c 必然由零开始逐渐增加，如图4.2所示。

图4.2 晶体管集电极电流和输出二极管的电流波形⒊开关晶体管处于ON 状态时一旦T 1r 进入ON 状态，输入电压V in 将加在变压器的初级绕组N p 上，线圈N b 上产生的电压V B 为IN PBB V N N V )(= 式(4-1)该电压与T 1r 极性相同，因此B V 将维持 T 1r 的导通状态。

设1r T 的基极—发射极间的电压BE V ,2D 的正向电压为2F V ,则B I 可表示为BBE F IN P B B R V V V N N I )()/(12+-=式(4-2)Ic 波形如图4.3示，当集电极电流与直流电流放大倍数FE h 之间将呈现如下关系：)(h BCFE I I ≥ 式(4-3)时，1r T 才能维持ON 状态。

在基极电流不足的区域， p N 线圈的电压下降，导致B N 线圈的电压也随之降低，B I 进一步减小，因此1r T 的基极电流不足状态不断加深，1r T 迅速转至OFF 状态。

晶体管的集电极电流输出二极管的电流波形 i1i1pi2p输出电流是i2的平均值i2 To ToffT=Ton+Toff图4.3 RCC 方式的开关动作⒋晶体管处于OFF 状态时如果晶体管处于OFF 状态，次级绕组使4D 导通，电流2i 流过负载，经过某一时间off t 后，变压器能量释放完毕，电流2i 变为0。

但是，此时s N 绕组上还有少量残留的能量，这部分能量再一次返回，使绕组B N 产生电压，1r T 再次ON ，继续重复前面的开关动作。

图4.4给出各个部分的动作波形。

图4.4 RCC 方式的动作波形浪涌电压Vi n Vce由于Ig 导致ONIcI1pVbVb=Nb/Np*VinIbIb=Vnb/RbTon Tofft若达到晶体管b C I I *h 因h 不足而OFF TonIc输入电压下降，Ib 下降，Ton 变窄'ONT⒌输出稳压的问题RCC 方式的稳压器是通过反向电动势使次级的二极管导通向负载提供功率的]7[。

因此，单位时间内变压器存储的能量与输出功率相等，设变压器初级电感为p L ,有O O ON IN P I V f L V L ∙=∙∙∙∙21)t (21式(4-4) 因此，欲使输出电压O V 稳定，f 最好随晶体管的ON 时间变化而变化。

图4.5所示，要使晶体管OFF ，只要基极电流不足即可，那么只要阻止来自变压器B V 的电流流过1r T 的基极，让它从旁路流过即可。

图4.5 RCC 方式稳压原理图 图4.6 等价电路在1r T OFF 期间，B N 线圈通过导通的3D 为2C 充电，2C 的电压变为负电压，2C 的电压C V 为：BE Z C V V V -= 式(4-5)于是Z D 导通，电流从它所形成的旁路流过，进而使1r T OFF 。

经过一段时间后，由于输出电压上升，图4.1中2C 的端电压C V 也随输出电压O V 成正比上升，即在1r T 的OFF 期间内，变压器存储的能量向负载释放，即相当于存在负电源，23C D →的充电电流和次级电流S I 也会同时流动。

此间S N 线圈和B N 线圈的电压值分别与匝数比成正比,即34)(F F O SBC V V V N N V -+=式(4-6) 式中：3F V 、4F V 分别为3D 、4D 的正向电压降。

假设C V 上升，那么与阴极相连的二极管Z D 导通，于是1r T 的B I 流过旁路Z D ，基极中没有电流。

因此，此时1r T OFF 。

从电压之间的关系来分析，Z D 的齐纳电压Z V 为BE C Z V V V += 式(4-7)因此由Z V 与BSN N 即可确定输出电压O V ，输出电压为43)(F F B Z BSO V V V V N N V -+-=式(4-8) ⒍振荡占空比的计算下面推导占空比D 的计算公式]8[。

在图4.6中，设流过初级绕组P N 的电流为1i ，变压器的电感P L ，则有t i 11∙=PL V 式(4-9) 当ON t =t 时，电流取得最大值p 1iO N Pp t L V ∙=11i 式(4-10) 再由变压器的基本原理，求得次级电路的最大电流值p 2i 为：ON PS P p S P p t L VN N i N N 112i ∙=∙=式(4-11) 次级电流从p 2i 开始以SL V 2的比率减小，因而，求得其瞬间值为 t L Vt L V N N SO N P S P 212i -∙=式(4-12) 这里RCC 方式的初始条件为 off t =t ，0i 2=，则有0t 21=∙-∙off Son P S P t L VL V N N 式(4-13) 将p 1i 式中的on t 带入上式，求得off t 为p P S P S P off i V L V L L V N N 1121t ∙∙∙=式(4-14)求得占空比D 为SP PpS SPp PpPoff on onL V L V L V i V L N N i V L i V L t D 122121111)()()()(t t +=∙+=+=式(4-15)将)sat (1CE IN V V V -= 式(4-16) F O V V V +=2 式(4-17)带入上式得到更为实用的公式，即()()()()O F PO F P IN CE sat SV V L D V V L V V L +=++- 式(4-18)⒎振荡频率的计算由变压器初级、次级功率相等的条件得到221p i 21V I f L O P ∙=∙∙ 式(4-19) 由上式，求得p 1i 为：fL V I P OC p ∙∙=2i 1 式(4-20)因为f 为pSSPp PpSPp Poff i V L N N i V L i N N i V L t 1211211on )()()(1)()(1t 1f ∙+=+=+=式(4-21)将p 1i 带入上式整理，得()2122121122222212122f ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=++=S P O S S P P O L V L V V V I V L L L V V V L I VV 式(4-22) ⒏变压器的设计方法开关稳压器中，变压器的设计是要点之一，它的所有动作与特性几乎都取决于变压器的设计。