开关电源中TL431相位补偿电路的仿真分析 沈利娟
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开关电源P-SPICE仿真
天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕业设计专业：电子科学与技术班级学号： 26学生姓名：二○一一年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计开关电源P-SPICE仿真Switch-Mode Power Supplies SPICESimulations专业班级：电科0703班2011年6月摘要变压器的使用在升压和降压电源中很常见，开关电源根据不同的输出要求采用不同的变压器拓扑电路，同样的电源也采用不同的变压器拓扑实现。
在所有拓扑中反激式变压器构成的升压式开关电源具有电路简单、元器件最少的优点，在小功率开关电源中经常采用。
而变压器的设计需要技术人员根据一些经验参数来进行变压器的设计和绕制。
会出现经验设计多于准确的参数设计，而且在高频条件下变压器的设计和制作不同于普通的变压器，更加需要实际经验和理论设计两者相互结合。
本文将针对反激式开关电源变压器漏感较大，易击穿开关器件的特点，通过Pspice仿真来检验在电路中增加RL模或RCD模块的方式对漏感能量的耗散效果，从而达到保护开关器件、稳定电路的目的。
关键词：开关电源；Pspice仿真；反激式变换器；吸收电路ABSTRACTConverter is widely used in boost and buck power. Switch-Mode Power will take different circuits of converter topology depends on different conditions in outputs. And sometimes the same power will choose different converter topologies to achieve the same result.In all kinds of topologies, boost switching power supplier based on the fly-back converter characterized as simple circuit, less components that is the reason to explain why it is commonly used in low power switching power supply. In the process of designing converter , technical staffs usually make the converter with some self-verified parameters .The phenomenon will lead to such a result ,the amount of experience design are more than accurate parameter design. However ,in the area of high-frequency converters ,the design and production of them are different from general converter, we need to combine more practical experiences with theoretical design.For the larger leakage and easy breakdown in switching device of fly-backSwitch-Mode Power Supplies converters, this article will use SPICE Simulations to test the effectiveness of RL and RCD module circuit in dissipating the energy of leakage，so as to meet the purpose of protecting Switching devices and stabling the circuit.Key Words：Switch-Mode Power; SPICE Simulations; Fly-back Converter;Snubber circuit;目录第1章引言 (1)第2章PSPICE软件仿真概述2.1仿真软件的选择 (2)2.2 PSPICE的发展历程和现状 (3)2.3 PSPICE的组成 (3)2.4 PSPICE的特点和模拟功能 (4)第3章开关电源的概述3.1开关电源的分类 (6)3.2开关电源的选用 (7)3.3开关电源的发展动向 (8)第4章五种经典开关电源的拓扑结构4.1开关电源拓扑综述 (9)4.2开关电源的5种拓扑结构 (9)4.2.1非隔离式拓扑结构 (10)4.2.2隔离式拓扑结构 (20)第5章反激式变换器电路5.1 反激式变换器的基本原理 (27)5.2无寄生元件条件下的反激式变换器的电路仿真与分析 (28)结论 (35)参考文献 (36)致谢 (37)天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计第一章引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源tl431吱吱响维修实例
开关电源tl431吱吱响维修实例
1:某设备电源,通电后无电压输出,电源内部发出‘吱吱吱’声。
这是电源过载或无负载的典型特征。
先仔细检查各个元器件,重点检测整流二极管、开关管等。
经过仔细检查,发现一个整流二极管
(1N4007)的表面已烧黑,而且电路板也给烧黑了。
找到同型号的二极管换下,在用万用表一测果然是击穿的。
接上电源,可风扇不转,‘吱吱吱’声依然存在。
用万用表量+12V输出只有+0.2V,+ 5V只有0.1V。
这说明元件被击穿时电源启动自保护。
测量初级和次级开关管,发现初级开关管中有一个已损坏,用相同型号的开关管换上,故障排除。
以上检查走了弯路,未通电前,应测量一下开关管是否损坏。
2:没有‘吱吱吱’声,上一个保险丝就烧一个保险丝。
由于保险丝不断地被熔断,搜索范围就缩小了。
可能发生的情况有3种:整流桥击穿,大电解电容击穿,初级开关管击穿。
电源的整流桥。
开关电源输出过冲抑制设计
（ Ｄ ， Ｃ 。 ） 和线性 调整 电路 （ Ｒ ． 、 Ｄ ： 、 Ｃ 、 Ｑ 、 Ｃ ， ） 构成。
图 ２ 反 馈 电路 原 理 图
ｌ ８
篓
ｉ
萋
第 ３ ２ 卷 第 ２ 期
最初 Ｖ Ｏ Ｕ Ｔ的电压为零 ， Ｒ 此时视为接地。 当Ｂ Ｉ Ａ Ｓ 电压升高时， 电流经 Ｒ ２ 和Ｅ １ 流过 Ｃ ， Ｒ 和Ｃ 的 并联 回路最 终 由 Ｒ ６ ／ ／ Ｒ ，到 地。此时 Ｒ ／ ／ Ｒ ， 的值 会 大于 Ｒ ２ ， 故 Ａ处节 点 电压 高 于 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ 内部参考值 （ １ ． ２ ５ Ｖ ） ， 导致 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １的阴 极端 电压下 降 。
第３ ２卷第 ２期 ２ ０ １ ４年 ６月
誊
越
嚣
Ｖ０ １ ． ３ ２ Ｎｏ ． ２
Ｊ Ｉ Ｃ ＨＥＮＧ ＤＩ ＡＮＬＵ Ｔ ＯＮＧＸＵ Ｎ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ４
开 关 电源 输 出过 冲 抑 制 设计
郑 洲 周 芳
（ 北 方 通用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏 州 ２ １ ５ １ ６ ３ ）
本文根据传统 反馈 电路 的构成 ， 提 出了一种
正激 式反 馈 电路 的改 进 方 法 ， 可 以有 效 抑制 输 出
Ｖ ｏ Ｕ Ｔ因为要经过输出滤波电路， 限制了上升速度。 ２ ． ２ 传统 的反馈 电路 ［ ３ 图２ 是传统的反馈 电路 ， 由基准电压源、 光电 耦合器和外 围元件构成。根据电源输出特性分析 计算 ， 可对各阻容合理取值 。
摘
要： 针对开关电源中常规反馈环电路造成的输 出电压过冲 问题 ， 采用一种 正激式反馈电路的
改进方法， 可以有效抑制输 出过冲。通过给基准 电压 源（ Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ ） 提供 一个预设电压 ， 使之 能够提前开
图 ２ 反 馈 电路 原 理 图
ｌ ８
篓
ｉ
萋
第 ３ ２ 卷 第 ２ 期
最初 Ｖ Ｏ Ｕ Ｔ的电压为零 ， Ｒ 此时视为接地。 当Ｂ Ｉ Ａ Ｓ 电压升高时， 电流经 Ｒ ２ 和Ｅ １ 流过 Ｃ ， Ｒ 和Ｃ 的 并联 回路最 终 由 Ｒ ６ ／ ／ Ｒ ，到 地。此时 Ｒ ／ ／ Ｒ ， 的值 会 大于 Ｒ ２ ， 故 Ａ处节 点 电压 高 于 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ 内部参考值 （ １ ． ２ ５ Ｖ ） ， 导致 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １的阴 极端 电压下 降 。
第３ ２卷第 ２期 ２ ０ １ ４年 ６月
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Ｖ０ １ ． ３ ２ Ｎｏ ． ２
Ｊ Ｉ Ｃ ＨＥＮＧ ＤＩ ＡＮＬＵ Ｔ ＯＮＧＸＵ Ｎ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ４
开 关 电源 输 出过 冲 抑 制 设计
郑 洲 周 芳
（ 北 方 通用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏 州 ２ １ ５ １ ６ ３ ）
本文根据传统 反馈 电路 的构成 ， 提 出了一种
正激 式反 馈 电路 的改 进 方 法 ， 可 以有 效 抑制 输 出
Ｖ ｏ Ｕ Ｔ因为要经过输出滤波电路， 限制了上升速度。 ２ ． ２ 传统 的反馈 电路 ［ ３ 图２ 是传统的反馈 电路 ， 由基准电压源、 光电 耦合器和外 围元件构成。根据电源输出特性分析 计算 ， 可对各阻容合理取值 。
摘
要： 针对开关电源中常规反馈环电路造成的输 出电压过冲 问题 ， 采用一种 正激式反馈电路的
改进方法， 可以有效抑制输 出过冲。通过给基准 电压 源（ Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ ） 提供 一个预设电压 ， 使之 能够提前开
开关电源电路的PSPICE仿真
开关电源电路的PSPICE仿真
马宁;陈莉
【期刊名称】《计算机与数字工程》
【年(卷),期】2005(33)11
【摘要】采用通用电路分析软件PSPICE在保证模拟电路精度的情况下建立实时电路仿真模型,进而对开关电源闭环控制系统进行计算机仿真分析.为应用PSPICE 软件对电力电子电路进行计算机仿真提供了参考.
【总页数】3页(P32-33,44)
【作者】马宁;陈莉
【作者单位】华中科技大学电信系,武汉,430074;空军雷达学院,武汉,430019【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.移相全桥ZVS倍流整流电路的PSpice仿真研究 [J], 王海涛;张一鸣;高俊侠;李佳鹏
2.基于频率响应分析法的变压器绕组变形PSpice仿真研究 [J], 白添凯; 赵荣普; 陈欣; 杨敏
3.大功率超声波发生器的Pspice仿真研究 [J], 王光旭;任娟慧
4.PSpice仿真技术在电子电路设计中的运用 [J], 孙水生;喻小平
5.面向中低速磁浮列车IGBT开关损耗的PSpice仿真研究 [J], 杨清;王连春;迟振祥
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一种反激式开关电源的设计与仿真
第38卷第4期计算机仿真2021年4月文章编号：1006 -9348(2021 )04 -0083-06一种反激式开关电源的设计与仿真王强\王槐生U，田宏伟1(1.苏州大学应用技术学院，江苏苏州215325;2.苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为实现小功率开关电源的小型化、高效化和低成本，提出了一种基于电流型PW M芯片UC3842控制下双路输出的反激式开关电源。
研究了电源的拓扑结构和工作原理，详细分析了EM1滤波器和整流滤波电路、功率变换电路、PW M控制电 路、反馈检测电路的关键参数和设计过程。
利用Sabei•软件的仿真工具箱搭建了电路闭环仿真模型，模拟反激式电路的环路控制，实现两路直流输出5V/1A和15V/1A，效率髙达90%。
仿真结果证明了设计的正确性和可行性。
关键词.•开关电源;反激式;电路设计;建模与仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码：BDesign and Simulation of a Flyback Switching Power SupplyWANG Qiang1,WANG Huai - sheng12 ,TIAN H ong-w ei1(1. Applied Technology College,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215325 ,China；2.School of Electronic and Information Engineering,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215006,China)A B S T R A C T：For the r e a l ization of small switching power supply miniaturization,high efficiency,and low cost,a f l yback switching power supply controlled dual output was designed based on the current - mode P W M chip U C3842.The topological structure and working principle of the power supply were studied.The key parameters and the design process of EMI f i l t e r s and r e c t i f i e r f i l t e r circuit,power conversion circuit,PWM control circuit,feedback detection c i rc u i t were analyzed in ing the simulation toolbox of Saber software t o build the closed - loop simulation mode l simulating the loop control of the flyback c i r c u i t and achieving the two - channel DC output of 5V/1A and 15 V/1A,the efficiency can reach 90%.The simulation resu l t s prove the correctness and f e a s i b i l i t y of the design.K E Y W O R D S：Switching power supply； Flyback； Circuit design； Modeling and simulationi引言近年来，随着电子电路仿真技术应用领域的不断扩展，对仿真技术也提出新的要求，如何提高仿真的可靠性和准确性，提高建模和仿真的效率对于电子电路设计具有重要意义[|]。
小功率开关电源的设计及仿真剖析
小功率开关电源的设计及仿真剖析
首先，我们来看设计方面。
小功率开关电源的设计需要考虑输出电流
和电压的要求，以及对线路噪声和稳定性的要求。
设计的第一步是选择合
适的开关管和变压器。
开关管需要能够承受电流和电压的要求，并且具有
低导通压降和开关速度快的特点。
变压器的选择需要根据输入电压和输出
电压的比例来确定，并需要结合输出电流的要求来确定主、从绕组的匝数
比例。
设计完成后，还需要添加滤波电容和电感来降低输出噪声。
其次，我们来看仿真方面。
仿真是开关电源设计中非常重要的一步，
可以帮助验证设计的正确性并进行性能优化。
常用的仿真软件有PSPICE
和SIMULINK等。
仿真的第一步是建立电路图，在仿真软件中将开关管、
变压器、滤波电容和电感等元件进行连接。
然后，根据设计要求设置输入
电压、输出电流和电压等参数。
接下来进行仿真运行，观察输出波形和电
流波形，分析电源调整时间、稳压性能和线路噪声等指标。
如果存在问题，可以通过改变电路参数或者添加补偿电路来进行优化。
综上所述，小功率开关电源的设计和仿真是一个相互关联且相对复杂
的过程。
设计需要考虑输出要求，并选择合适的元件，仿真则是验证设计
和优化性能的关键步骤。
通过科学合理的设计和精确的仿真，可以得到性
能稳定、噪声低且符合要求的小功率开关电源。
CR6842设计指导书V1.0
由于 CR6842 高度集成，使用外围元件较少。采用 CR6842 可以简化反激式隔离 AC-DC 开关电源设计， 从而使设计者轻松的获得可靠的系统。
图 1.1 CR6842 内部框图
2.欠压锁定和启动电路及 OCP 补偿特性：
⑴、 CR6842 具有如下两种启动方式： 1） 传统的启动方式:使用 VDD 作启动脚时芯片支持从整流前启动及整流滤波后启动的方式，其 启动电路见图 1.2.1，图 1.2.1 所示； 2） 具有 OCP 补偿功能的启动方式：使用 3 脚 VIN 作启动脚时芯片具有 OCP 补偿的功能，但仅 支持从整流滤波后启动的方式，其启动电路方式见图 1.2.3 典型电路。
假设光耦的最大传输比ctr08系统二次侧次级tl431的工作电流仅由流过光耦发射端二极管的电流提供那么通过ic折算到流过光耦发射端二极管的电流最大仅为063ma这个电流将无法满足tl431的最小工作电流1ma所以在系统设计时使用cr6842设计的系统必须给次级tl431提供一个常态偏置电阻见图25电路中的rbias使tl431工作在正常的状态否则系统的负载调整率或其他性能可能会发生异常在16v输出的系统中考虑空载或轻载时系统的损耗因素推荐使用的偏置电阻阻值为22k
2）、影响 OCP 补偿平坦度的主要参数： 频率：基于 50KHZ~65KHz 设计。 启动电阻：基于 1.8MΩ 设计。 Sense 端输入：基于省掉外部 R-C 网络设计，见 Sense 端输入的说明。
3）、Sense 端口门限与 VIN 端口输入电流的关系曲线图
从图中可以看到，如果系统设计以 VIN 端口(3 脚)作为启动端，那么 VTH_oc 的值是受流过 VIN 端的 电流影响的，熟悉 Sense 端门限与 VIN 端输入电流的关系曲线图对分析系统的 OCP 特性是有帮助的。
图 1.1 CR6842 内部框图
2.欠压锁定和启动电路及 OCP 补偿特性：
⑴、 CR6842 具有如下两种启动方式： 1） 传统的启动方式:使用 VDD 作启动脚时芯片支持从整流前启动及整流滤波后启动的方式，其 启动电路见图 1.2.1，图 1.2.1 所示； 2） 具有 OCP 补偿功能的启动方式：使用 3 脚 VIN 作启动脚时芯片具有 OCP 补偿的功能，但仅 支持从整流滤波后启动的方式，其启动电路方式见图 1.2.3 典型电路。
假设光耦的最大传输比ctr08系统二次侧次级tl431的工作电流仅由流过光耦发射端二极管的电流提供那么通过ic折算到流过光耦发射端二极管的电流最大仅为063ma这个电流将无法满足tl431的最小工作电流1ma所以在系统设计时使用cr6842设计的系统必须给次级tl431提供一个常态偏置电阻见图25电路中的rbias使tl431工作在正常的状态否则系统的负载调整率或其他性能可能会发生异常在16v输出的系统中考虑空载或轻载时系统的损耗因素推荐使用的偏置电阻阻值为22k
2）、影响 OCP 补偿平坦度的主要参数： 频率：基于 50KHZ~65KHz 设计。 启动电阻：基于 1.8MΩ 设计。 Sense 端输入：基于省掉外部 R-C 网络设计，见 Sense 端输入的说明。
3）、Sense 端口门限与 VIN 端口输入电流的关系曲线图
从图中可以看到，如果系统设计以 VIN 端口(3 脚)作为启动端，那么 VTH_oc 的值是受流过 VIN 端的 电流影响的，熟悉 Sense 端门限与 VIN 端输入电流的关系曲线图对分析系统的 OCP 特性是有帮助的。
TL431及PC817在开关电源中的应用
TL431及PC817在开关电源中的应用TL431功能简介本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器 TL431来完成，在反馈电路 的应用中运用采样电压通过 TL431限压，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到 SG3525的 COM 端。
由于TL431具有体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以用 TL431 可以制作多种稳压器。
其性能是输出电压连续可调达 36V,工作电流范围宽达 0. 1〜100mA 动态电阻典型值为0. 22欧,输出杂波低。
其最大输入电压为37V, 最大工作电流为150mA 内基准电压为2.5V ，输出电压范围为2.5〜30V 。
TL431是由美国德州仪器（TI ）和摩托罗拉公司生产的2.5〜36V 可调式精密并 联稳压器。
其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳 压电源中。
此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精 密恒流源等。
TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图 4.26所示。
E 4J6TL431的电气捋号圄和黑敦电路图DIP 忍封装 T0Q 封装 等效克路800^ 5 soo^g 4 25 TL431功能枢團图中，A 为阳极，使用时需接地；K 为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF 是输 出电压UO 的设定端，外接电阻分压器；NC 为空脚。
TL431的等效电路如图所示，主要包括①误差放大器 A ,其同相输入端接从电阻 分压器上得到的取样电压，反相端则接内部 2.5V 基准电压Uref ，并且设计的UREF=Ure f URER 1常状态下为2.5V ，因此也称为基准端；②内部2.5CV 基准电 压源Uref :③NPN 型晶体管VT ,它在电路中起到调节负载电流的作用；④保护 二极管VD 可防止因K-A 间电源极性接反而损坏芯片。
TL431的电路图形符号和 基本接线如图4.27所示。
tl431电路 原理
tl431电路原理
TL431电路原理
TL431是一种广泛应用于电子设备中的节能电压参考源，它具有精确的电压参
考和稳定的输出特性。
TL431是一个可编程精密参考源，能够提供高精度和低温漂移的稳定电压。
TL431的工作原理是基于可变阻抗原理。
其内部包含一个比较器、一个可编程
电阻和一个输出缓冲器。
在正常工作条件下，比较器会将参考电压Vref与外部反
馈电压进行比较。
如果外部电压过高，比较器会通过电阻调节输出电压，使其下降。
反之，如果外部电压过低，比较器会增加输出电压。
TL431的内部电阻是可编程的，通过调整引脚上的电阻来实现不同的输出电压，使其适应不同的应用要求。
此外，TL431还具有过温保护和过电流保护等特性，保证了电路的稳定性和安全性。
TL431电路可以用于多种应用，如稳压源、电池充电器、开关电源和自动调节
控制电路等。
它可以起到提供稳定的参考电压，并对调节电压进行精确的控制，从而实现电子设备的正常运行。
总结：TL431电路基于可变阻抗原理，通过比较器、可编程电阻和输出缓冲器
来实现精确的电压参考和稳定的输出特性。
它广泛应用于各种电子设备中，为电路提供稳定的参考电压，并实现精确的电压调节功能。
tl431补偿电容
tl431补偿电容TL431补偿电容的重要性概述：TL431是一种用于电压参考和电压调节的集成电路。
在许多电子设备中，为了保持电源稳定和负载调节，常常需要对TL431进行补偿，以确保其工作正常。
本文将探讨TL431补偿电容的作用、选取标准以及常见问题。
作用：TL431的补偿电容主要用于提高其系统稳定性和抑制振荡。
在正常工作条件下，电源电压波动或负载变化时，补偿电容可以帮助TL431快速响应并保持稳定输出。
它对电流的响应速度起到了重要的作用，以确保系统的精确度和可靠性。
选取标准：在选择TL431补偿电容时，需要考虑以下几个因素：1. 频率响应：补偿电容的频率响应对于系统的稳定性非常关键。
根据系统的工作频率范围选择合适的补偿电容，以提高系统的响应速度和稳定性。
2. 大小容值：补偿电容的容值大小对于系统的性能有着直接影响。
过大的补偿电容会导致系统响应变慢，而过小的补偿电容则可能引起系统振荡。
根据系统的需求和设计要求，选择适当的补偿电容容值，以确保系统的稳定性和准确性。
3. 电容类型：常见的补偿电容有两种类型，即铝电解电容和陶瓷电容。
铝电解电容价格较低，但频率响应较差；而陶瓷电容具有更好的频率响应，但价格较高。
根据系统的需求和成本预算，选择适合的电容类型。
常见问题：在实际应用中，对于TL431补偿电容的选取常常存在以下问题：1. 没有补偿电容：有些设计师或爱好者可能会忽略选择补偿电容，导致系统不稳定或出现振荡。
为了确保系统的可靠性和性能，选择适当的补偿电容是非常必要的。
2. 补偿电容选取不当：选取补偿电容时，如果容值过大或过小，都会导致系统性能下降。
过大的补偿电容会降低系统的响应速度，过小的补偿电容则可能导致系统振荡。
因此，确保选择合适的补偿电容是至关重要的。
3. 忽略频率响应：频率响应是补偿电容选取的重要因素，但有些设计者往往忽略了这一点，可能会选择不适合的补偿电容。
在设计中，应对系统的频率响应进行充分考虑，并选择适合的补偿电容。
反激开关电源431+光耦环路设计
反激开关电源431+光耦环路设计下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于LTspice仿真的开关电路设计与研究
2 基于 LTspice 仿真的模型搭建及参数设置
本文选择 Ltspice 作为仿真软件进行开关电路设计，该软件 占用空间小、内含仿真元件多、易于操作、仿真速度快并且所得 到的仿真波形图更直观[4]。本文利用 Ltspice 仿真软件分别搭 建普通的硬开关电路和引入谐振的软开关电路，并对两种电路 的电压、电流以及功率损耗波形进行对比研究。
图 2 仿真电路电压源参数值 2.2 引入谐振的软开关电路设计
在硬开关电路设计基础上，本文在 Ltspice 仿真中引入了谐 振技术，增加了电感电容以及反并联二极管。加入谐振电感和
收稿日期：2021-03-10
本栏目责任编辑：梁 书
计算机工程应用技术
247
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术
关键词：LTspice 仿真；开关电路
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2021)16-0247-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
1 介绍
当下电力电子装置逐渐向高集成度和高频化的方向发展， 对于装置内部各元器件的功耗效率及电磁特性提出了更高的 要求[1]。目前装置的体积和重量有很大一部分被滤波电感、电 容和变压器所占有，为了适应发展趋势，集成电路和滤波器等 逐渐实现小型化和轻量化，从而达到减少体积重量的目的[2]。 但如果为了实现高频化过度使用普通硬开关电路，则会导致电 路本身的效率很低，并且会使开关的损耗增加，电磁干扰增大。 为了解决上述问题，在电路设计过程中，引入了以谐振为主的 软开关设计方法，借以解决原有设计中开关损耗和电磁干扰的 问题。此类电路称为软开关电路，软开关电路与传统的硬开关 电路相比，将原有的滤波用电感和电容更换为谐振电感和电 容，并且在电路中引入谐振技术，使得开关电路工作时电路中 的电压值先下降至零，在关闭时电流值先下降至零，这样可以 有助于减少开关电路工作中电流和电压的相互干扰，并且可以 有效限制电性能指标的变化率，以达到降低功耗减小开关噪声 的目的，因此软开关电路的开关频率可以得到显著提高[3]。
本文选择 Ltspice 作为仿真软件进行开关电路设计，该软件 占用空间小、内含仿真元件多、易于操作、仿真速度快并且所得 到的仿真波形图更直观[4]。本文利用 Ltspice 仿真软件分别搭 建普通的硬开关电路和引入谐振的软开关电路，并对两种电路 的电压、电流以及功率损耗波形进行对比研究。
图 2 仿真电路电压源参数值 2.2 引入谐振的软开关电路设计
在硬开关电路设计基础上，本文在 Ltspice 仿真中引入了谐 振技术，增加了电感电容以及反并联二极管。加入谐振电感和
收稿日期：2021-03-10
本栏目责任编辑：梁 书
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关键词：LTspice 仿真；开关电路
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2021)16-0247-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
1 介绍
当下电力电子装置逐渐向高集成度和高频化的方向发展， 对于装置内部各元器件的功耗效率及电磁特性提出了更高的 要求[1]。目前装置的体积和重量有很大一部分被滤波电感、电 容和变压器所占有，为了适应发展趋势，集成电路和滤波器等 逐渐实现小型化和轻量化，从而达到减少体积重量的目的[2]。 但如果为了实现高频化过度使用普通硬开关电路，则会导致电 路本身的效率很低，并且会使开关的损耗增加，电磁干扰增大。 为了解决上述问题，在电路设计过程中，引入了以谐振为主的 软开关设计方法，借以解决原有设计中开关损耗和电磁干扰的 问题。此类电路称为软开关电路，软开关电路与传统的硬开关 电路相比，将原有的滤波用电感和电容更换为谐振电感和电 容，并且在电路中引入谐振技术，使得开关电路工作时电路中 的电压值先下降至零，在关闭时电流值先下降至零，这样可以 有助于减少开关电路工作中电流和电压的相互干扰，并且可以 有效限制电性能指标的变化率，以达到降低功耗减小开关噪声 的目的，因此软开关电路的开关频率可以得到显著提高[3]。
TL431芯片资料及应用
TL431芯片资料及应用TL431精密可调基准电源有如下特点：稳压值从2.5~36V连续可调;参考电压原误差+-1.0%，低动态输出电阻,典型值为0.22欧姆输出电流1.0~100毫安;全温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm;低输出电压噪声。
TL431的具体功能可以用下图的功能模块示意。
TL431的器件符号和功能示意图由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。
当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。
但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮组的。
正确偏置TL431可获得更好的输出阻抗TL431在开关电源(SMPS)反馈环路中是参考电压。
该器件结合了参考电压与集电极开路误差放大器，具有操作简单和成本低廉等优点。
虽然TL431已在业内被长期广泛采用，但一些设计人员仍会忽略它的偏置电流，以致在无意间降低产品的最终性能。
TL431的简化电路图如图1所示，图中包括了驱动NPN 晶体管的参考电压和误差放大器，在该封闭的电源系统中，一部分输出电压一直与TL431的Vref(参考电压)进行比较。
图1 TL431等效电路图图2 SMPS简化直流模型（不考虑输入波动）影响的电阻分压器进行比较，可得到输出电压的理论值为Vref/α。
然而，整个增益链路和各种阻抗均会影响输出电压，如下式所示，其中每个希腊字母均表示一个增益，RSOL表示开环输出阻抗。
转换器简化直流模型如图2所示，Vout与Vref通过受传输率Vout=(Vref-α×Vout) ×β×G- RSOL×Vout / RL (1)Vout= Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL / RL) (2)静态误差=Vref/α- Vout= Vref×(RSOL+ RL)/ [α×(RSOL+α×β×G×RL+RL)] (3)从式(3)中可看出，增大增益的值有助减小静态误差，提高输出电压精度。
第7章 开关电源仿真设计
4、状态空间平均法：利用一周期内平均状态变量， 将一个非线性、时变、开关电路转变为一个等效的 非线性、时不变的连续电路，因而可对开关转换器 作大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数及
零、极点配置，建立一个状态空间平均电路模型。
SPICE和IsSPICE仿真程序
SPICE是一种通用集成电路计算机分析程序，可用 其对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态时域分 析和交流小信号时域和频域分析等。 SPICE应用了一组电路模型方程，基本分析工具是 牛顿—拉夫逊迭代法。 SPICE、IsSpice的仿真结果以数据文件形式表示， 可以将它输入其他软件如MATLAB等，以便进一步 对电路性能进行评估和寻优。
MATLAB在开关电源仿真中的应用
（1）运用MATLAB强大的计算功能求解开关电源 变换器方程式。 （2）运用MATLAB频域分析的工具研究电源变换 器系统的控制性能。 （3）运用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿 真电源转换器系统。
开环降压式变换SIMULINK仿真
降压式变换器的电路原理图
IsSPICE的组成及功能特点
1、电路图输入软件SPICENet 2、IsSPICE仿真软件的模型库 3、数／模混合开关电源电路仿真软件IsSPICE4 4、IsSPICE仿真软件的波形处理与分析软件
IntuScope 5、IsSPICE仿真软件的符号编辑器Symbol
Editor 6、IsSPlCE仿真软件的文字编辑软件IsEd
2、变量：使得技术指标或者经济指标达到最优的参 数值。
3、约束：求最优参数时要满足各项性能或结构工艺 要求，即为求目标函数极值时所加的约束。
目标和约束是开关电源最优化设计变量的线性或非线 性函数，一般情况下，工程优化问题中是非线性问题。 因此，在数学上，开关电源的优化设计问题归结为求 解有线性或者非线性约束的非线性多变量（目标）函 数的极值问题。
零、极点配置，建立一个状态空间平均电路模型。
SPICE和IsSPICE仿真程序
SPICE是一种通用集成电路计算机分析程序，可用 其对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态时域分 析和交流小信号时域和频域分析等。 SPICE应用了一组电路模型方程，基本分析工具是 牛顿—拉夫逊迭代法。 SPICE、IsSpice的仿真结果以数据文件形式表示， 可以将它输入其他软件如MATLAB等，以便进一步 对电路性能进行评估和寻优。
MATLAB在开关电源仿真中的应用
（1）运用MATLAB强大的计算功能求解开关电源 变换器方程式。 （2）运用MATLAB频域分析的工具研究电源变换 器系统的控制性能。 （3）运用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿 真电源转换器系统。
开环降压式变换SIMULINK仿真
降压式变换器的电路原理图
IsSPICE的组成及功能特点
1、电路图输入软件SPICENet 2、IsSPICE仿真软件的模型库 3、数／模混合开关电源电路仿真软件IsSPICE4 4、IsSPICE仿真软件的波形处理与分析软件
IntuScope 5、IsSPICE仿真软件的符号编辑器Symbol
Editor 6、IsSPlCE仿真软件的文字编辑软件IsEd
2、变量：使得技术指标或者经济指标达到最优的参 数值。
3、约束：求最优参数时要满足各项性能或结构工艺 要求，即为求目标函数极值时所加的约束。
目标和约束是开关电源最优化设计变量的线性或非线 性函数，一般情况下，工程优化问题中是非线性问题。 因此，在数学上，开关电源的优化设计问题归结为求 解有线性或者非线性约束的非线性多变量（目标）函 数的极值问题。
开关电源电路的PSPICE仿真
[ 3] [ 1] , [ 2]
并通过变换技术制成的高频开关式直流稳压电源。 它的形 式 有很 多 种, 其 中尤 以 脉冲 宽度 调 制型 ( PWM) 最为盛行。近年来, 开关电源的分析、 研究 和设计已广泛采用计算机仿真技术。电路设计采 用计算机仿真技术对不同的设计方案迅速地进行 模拟分析, 并在电路形式确定以后, 对电路的元件 参数进行灵敏度分析和容差分析, 从而优化元件参 数, 保证设计质量。使用该技术可以在制作实际电 路之前先建立一个模拟的实验环境 , 根据预先建立 的电路模型构造出系统的仿真模型 , 然后对系统进 行稳态、 动态特性分析, 寻求满足设计性能要求的 元件参数, 优化系统的设计方案, 减少开发过程的 盲目性、 复杂性 , 缩短开发周期 , 降低设计成本。
33
件采用 NM OS 场效应管。
图 1 全桥式逆变电源主电路原理图
2. 2 仿真程序 该全 桥 式逆 变 电源 的 PSPICE 仿 真 程 序如 下
[ 4]
. model ifx nmos( LEV EL = 2 V T O = 0. 7 L AM BDA = 0. 02 PB= 82 T OX= 2. 5e- 8 N SU B= 6E14 T PG= 1+ X J= 4E- 7 IS = 1E- 15 CJ= 4E- 4 RD= 20 RS= 20 R G = 15 LD= 0. 2U WD = 0. 2U CBD= 10f CBS= 10f + U O = 700 U CRI T= 6E4 U - EXP = 0. 2 U T RA = 0. 3 XM AX = 5E4 NF S= 1E- 10) . tran In. 01s uic . P ROBE . EN D
2. 3 仿真结果 仿真结果见图 2 。
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开关电源中TL431相位补偿电路的仿真分析 沈利娟发表时间：2018-05-09T09:39:07.627Z 来源：《电力设备》2017年第35期 作者： 沈利娟 朱亚旗 赵元明[导读] 摘要：开关电源工作的稳定性与其反馈环路的稳定性有很大的关系，如果开关电源反馈环路系统没有足够的幅值裕度和相位裕度，整个开关电源工作将很不稳定并且出现输出振荡。
(珠海格力电器股份有限责任公司)
摘要：开关电源工作的稳定性与其反馈环路的稳定性有很大的关系，如果开关电源反馈环路系统没有足够的幅值裕度和相位裕度，整个开关电源工作将很不稳定并且出现输出振荡。本文主要基于TNY277芯片的开关电源电路各项测试参数，采用TL431相连的电阻和电容作为相位补偿电路，通过SIMPLORE软件对开关电源补偿环路前后的传递函数进行了幅频和相频特性仿真。通过分析两种仿真结果，总结出在开关电源环路中增加补偿电路不仅能有效控制整个环路的稳定性而且可以降低输出振荡。
关键词：开关电源 相位裕度 幅值裕度 SIMPLORE 1 引言
开关电源以体积小、效率高、稳压范围宽等优点倍受业内人士的青睐，并迅速地取代了传统的线性稳压电源，其中以反激式开关电源为例，其拓扑结构简单、电路损耗小等优点在小功率以及有多路输出的场合得到了广泛地应用。尤其是TOPSWITCH已经成为市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，内部集成了一部分补偿功能，不过开关电源中的外部反馈环路设计一直是整体设计的一个重要环节，若在设计时相位裕度以及幅值裕度考虑不周，整个开关电源的动态性能就会非常差。本文以TNY277芯片的开关电源举例，环路设计采用光耦PC817与TL431配合使用，但是TL431作为开关电源次级反馈的基准和误差放大器，反馈环路中供电方式的差异对它的传递函数将会产生很大的影响，所以本文主要侧重于在电流断续模式（DCM）下对补偿网络进行分析。 2 反馈环路稳定性标准以及穿越频率的选定 2.1 稳定性标准
开关电源反馈环路的稳定性往往用相位裕量和增益裕量两个参数来进行衡量。在工程实践当中，通常要求增益裕量小于-10db，相位裕量不小于45°。若按照此要求进行设计，不仅可以在预定的工作情况下满足稳定条件，而且当环境温度发生变化或者突然加减载的情况下也都能满足稳定条件。 2.2 穿越频率选择
穿越频率在环路补偿中是一个很重要的参数，即幅值特性曲线通过0db时所对应的频率。理论上来讲，反馈环路的穿越频率不能超过开关频率的1/2，而工程上的选取往往为开关频率的1/10左右，这样的选取方式主要是依据了奈奎斯特定理[1]。
3 常用的补偿方式 3.1 主极点补偿
传递函数为G（s）=1/sR1C，此补偿方式主要适用在电流型控制以及工作在DCM并且滤波电容的ESR频率比较低的电源里。主要原理在于把第1个极点与其余的极点距离拉开，使相位达到180°以前使其增益降到0db。补偿后的最大带宽小于补偿前第1个极点的带宽[2]。
3.2 极零点补偿
传递函数为G（s）=1+sR2C/sR1C，也是开关电源反馈环路中比较常用的补偿方式，这种方式最大的优势在于其极点相当于主极点补偿中的极点，而零点则把补偿前的第一个极点抵消，这时候的带宽最大，可以达到补偿前第二个极点的带宽，这样既达到了主极点补偿的效果，又增加了带宽。 3.3 双极点单零点补偿
此补偿方式适用于功率部分只有1个极点的补偿，例如所有电流型控制以及非连续模式下电压型控制，常见的反馈环路中用的不是很多。
传递函数为G（s）=1+sR2C1/（sR1C1（1+sR2C2））。
在设计开关电源环路补偿时必须要注意补偿器工作在负反馈工作状态，这样才是一个完整的闭环系统，因为其本身就有180°的相移，所以留给功率部分、输出LC滤波部分以及补偿网络部分的只有180°。幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的，所以设计的时候一般不需要特别考虑。不过相位裕度是必须要考虑的，一般在工程中在穿越频率下的相位裕度满足不小于45°即可。 4 反激式开关电源环路设计
反激式开关电源其本质是带有变压器的BUCK-BOOST变换器[3]。
该环路的传递函数为： K=（Kpwr×Klc×Kfb）×Kea
式中：Kpwr为功率部分；Klc为变压器次级电感、滤波电容与负载组成的LC滤波部分；Kfb为反馈电压分压部分；Kea为由光耦PC817与TL431所组成的反馈补偿部分。
本文中的开关电源设计的电源芯片选取的是PI公司的TNY277。主电路的设计参数主要有：电源输入直流母线电压V1=310V、输出电压VO=12V、高频变压器初级电感量LP=1.6mH、初级匝数Np=63Ts、次级匝数Ns=8Ts、次级滤波电容C=220μF、电源芯片的开关频率
f=66KHZ、负载R=5Ω、光耦PC817的电流传输比CTR=2.5。 4.1 功率部分和输出LC滤波部分小信号传递函数
首先要推导出除去补偿部分的输出输入传递函数反激式开关电源的功率部分与LC滤波部分
经过推导得出： Lsec=（Ns/Np）2×LP Kpwr=VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f) LC滤波部分小信号的频率为：ωP=2/RC Klc=1/（1+s/ωP）
由于上分压电阻直接接到TL431上，所以Kfb=1。
整个电路在补偿前的传递函数为： K1=Kpwr×Klc×Kfb= VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f)/（1+s/ωP）
将上述数据带入传递函数K得： K1=47.7/（1+5.5×10-4s）
可以看出传递函数只包括一个极点，通过SIMLPORE可以将传递函数以波特图的形式体现出来，传递函数K的穿越频率为9.5KHZ左右，在此频率下的相位裕度为1°，显然不满足工程中相位裕度的要求，所以接下来补偿网络函数的目的是将相位裕度提高到45°左
右即可，这是由于裕度过大会导致系统响应变慢，而对穿越频率的要求不是特别高[5]。
图1 补偿前的波特图 4.2 TL431补偿网络函数 PC817与TL431组成的补偿网络如图2所示，此补偿网络属于极零点补偿网络，可以调节R24和C35的值来调节相位裕度。
图2 TL431补偿网络电路图
由于TL431用输出电压12V供电，其传递函数为： Kea=CTR×[1+s×（R24+R25+R26）×C35]/[s×R22×（R25+R26）×C35]
其中， R24=1KΩ， R22=100Ω， R25=R26=20KΩ， C=0.1μF， CTR=2.5。
将上述数据带入传递函数Kea得： Kea=（2.5+10.25×10-8s）/4s
其中R22、R25、R26的值决定了增益，由于R25与R26之和由零点的位置而决定，所以整个系统增益的大小可以通过调整R22来确定。CTR是通过实测得出的光耦电流传输比。
4.3 系统开环传递函数
系统的开环传递函数为： K=K1×Kea= VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f)/（1+s/ωP）×CTR×[1+s×（R24+R25+R26）×C35]/[s×R22 ×（R25+R26）×C35]
带入数值得： K=（114.78+0.469s）/（2.2×10-4s2+0.4s）
通过SIMPLORE波特图仿真得到的补偿后的波特图，如图3所示。
图3 补偿后的波特图 5 结论
通过补偿后的网络得到的开环传递函数K的穿越频率为1KHZ，且在此频率下的相位裕度为45°，已经满足了工程中系统稳定的要求，经过SIMPLORE软件对补偿网络中的各个参数不断的调试，终于将整个开关电源反馈环路在穿越频率下的相位裕度调到了45°，所以通过选择合适的补偿网络以及其网络中各个参数的选定决定了整个系统的增益以及稳定性。
参考文献: [1] Dr.Ray Ridly,Loop Gain Crossover Frequency. Switching Power Magazine. 2006. [2] 韩林华,史小军,朱为,堵国梁. 反激开关电源中基于PC817A与TL431配合的环路动态补偿设计. 电子工程师,2005,11(31):29-32. [3] Sanjaya Maniktala,王志强等译. 精通开关电源设计. 北京: 人民邮电出版社,2008. [4] Everett Rogers. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switch Mode Power Supplies. TEXAS INSTRUMENTS, 1999,SLVA034A:1-16. [5] Randall Shaffer. Fundamentals of Power Electronics with MATLAB .Boston Massachusetts: Charles River Media,2007.