一種基于正激變換器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法

1 引言

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)取得了很大成功，其應(yīng)用也十分普遍和廣泛。但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的元器件較多，以及要降低成本、提高可靠性，仍存在一些問(wèn)題需要解決。例如:電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要較高的技術(shù)支持;電路的調(diào)試要有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，也有一定的難度。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，由于目前各種開關(guān)電源雖然形式多樣，結(jié)構(gòu)各異，但其大都源于幾種基本的dc-dc變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者是這些基本電路組合，因此，可以對(duì)幾種基本dc-dc變換器進(jìn)行分析，將已有的電路設(shè)計(jì)公式應(yīng)用于實(shí)際開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展以及仿真技術(shù)的不斷完善，人們可以利用仿真技術(shù)來(lái)解決開關(guān)電源產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)中存在的問(wèn)題。

本文在對(duì)基本的buck變換器電路拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)上，對(duì)與之相關(guān)的正激變換器和雙管正激變換器進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)等效變換，從buck變換電路的設(shè)計(jì)公式中推導(dǎo)出正激變換和雙管正激變換電路的參數(shù)計(jì)算公式;此外，采用pspice仿真軟件進(jìn)行了電路仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果證明了開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的正確性。

2 buck變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

基本buck變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由電壓源vi、串聯(lián)開關(guān)s、續(xù)流二極管vd和由lc組成的電流負(fù)載組合而成，其中l(wèi)的大小決定輸出電流紋波，而輸出電壓紋波則由c決定，這是最基本的一種直流變換器。

圖1 基本的buck變換器

文獻(xiàn)[1]給出了buck變換器的電路設(shè)計(jì)公式，根據(jù)buck變換器的輸出公式:

式中:ρ為占空比，且有:ρ=ton/t，則ρ=vo/vi。

電感l(wèi)的計(jì)算公式為:

式中:f為開關(guān)頻率;

iomin為輸出最小電流。

而電容c的計(jì)算公式為:

式中:δvo為輸出電壓紋波。

3 正激變換的公式推導(dǎo)

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作模式

一個(gè)單管正激變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，由于正激變換器是在基本的buck型變換器基礎(chǔ)上多了一個(gè)隔離變壓器t1、一個(gè)二極管vd1和一個(gè)由回收繞組n3和箝位二極管vd3構(gòu)成的復(fù)位電路。由于電路形式發(fā)生了變化，所以設(shè)計(jì)時(shí)不能直接使用上述基本buck變換器的參數(shù)計(jì)算公式。本文通過(guò)對(duì)正激變換器工作模式的分析，采用等效變換方法將正激變換器等效為一個(gè)基本的buck變換電路，由此可將基本buck變換電路的參數(shù)計(jì)算公式(2)和(3)推廣到一類正激變換器的參數(shù)計(jì)算，建立新的設(shè)計(jì)公式。

圖2 單管正激變換器主電路結(jié)構(gòu)

正激變換器的工作模式為:

(1) 當(dāng)v1導(dǎo)通時(shí)，二極管vd1導(dǎo)通，輸入電網(wǎng)經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量，此時(shí)，濾波電感l(wèi)1儲(chǔ)能;

(2) 當(dāng)v1截止時(shí)，二極管vd1截止，電感l(wèi)1中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)使續(xù)流二極管vd2導(dǎo)通，電感l(wèi)1中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管vd2向負(fù)載釋放。

3.2 等效變換與參數(shù)計(jì)算

根據(jù)對(duì)正激變換器工作模式的分析，可以發(fā)現(xiàn)二極管vd1的通斷與開關(guān)管v1的通斷同步，因此可以將二極管vd1用一個(gè)等效開關(guān)管v代替，如果可以忽略v1的導(dǎo)通壓降，則變壓器副邊繞組的感生電壓為:

式中:k為變壓器的匝比，且有k=n1/n2。

如果用一個(gè)大小為vi′的電壓源代替變壓器副邊繞組，就可以將整個(gè)正激變換器的輸出邊等效變換為一個(gè)基本的buck變換器。等效電路如圖3所示，圖中用開關(guān)v代替了圖2電路中的開關(guān)管v1與二極管vd1的作用。由此，通過(guò)等效變換的正激變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1所示的基本buck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。這樣，就可以采用基本buck變換器的參數(shù)計(jì)算公式(2)和(3)來(lái)設(shè)計(jì)正激變換器。

圖3 等效buck變換器

由圖3可將公式(2)和(3)推廣，得到等效后的正激變換器參數(shù)計(jì)算:

(1) 占空比的計(jì)算:

(2) 濾波電感的計(jì)算:

(3) 濾波電容的計(jì)算:

式(5)、(6)和(7)即為正激變換器的參數(shù)計(jì)算公式，從式(5)可知占空比不僅與輸入輸出電壓有關(guān)，還跟變壓器的匝比有關(guān)，與式(2)和式(3)相比，濾波電容與電感的計(jì)算也多了一個(gè)變壓器的匝比參數(shù)k。

3.3 計(jì)算公式驗(yàn)證

現(xiàn)通過(guò)pspice仿真來(lái)驗(yàn)證所推公式的正確性。設(shè)計(jì)一個(gè)正激變換器，要求其輸入電壓為48vdc，輸出電壓為12vdc，輸出電流為5a，輸出電壓紋波分量 δvo為1v，開關(guān)頻率f為50khz。先選定ρ=0.4，即ton=8μs，再由式(5)、(6)和式(7)算出變壓器的匝數(shù)比為1.6，l1=15μh，c1=24μf，而rl=vo/io=2.4ω。

在pspice下繪制電氣原理圖，并對(duì)其進(jìn)行暫態(tài)時(shí)域分析，仿真時(shí)間設(shè)為1ms。

仿真輸出電壓波形如圖4所示，可以看出，其輸出電壓在0.2ms后就已經(jīng)穩(wěn)定在所要求的12v上了，其輸出紋波也完全符合要求，從而證明前面所推公式是正確的。

圖4 雙管正激變換器主電路

4 開關(guān)電源設(shè)計(jì)舉例

現(xiàn)利用上述方法，設(shè)計(jì)一個(gè)雙管正激型開關(guān)穩(wěn)壓電源，要求輸入電壓為48vdc，輸入變化范圍為±5%，輸出電壓為12vdc，輸出電壓紋波范圍為1v，輸出電流為5a，開關(guān)頻率為50khz。

(1) 主電路參數(shù)計(jì)算

選取雙管正激電路作為開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路，如圖5所示。其工作原理與單管正激變換器相同，只是這里的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，且因?yàn)橛衯da、vdb，不需另外的復(fù)位電路?？刂齐娐穭t采用簡(jiǎn)單的電壓控制模式。

圖5 雙管正激變換器主電路

這里可以直接用正激變換器的公式計(jì)算其參數(shù)。由設(shè)計(jì)要求可知t=1/f=20μs，r=vo/io=2.4ω，iomin=11.5v/2.4ω=4.79a。由于雙管正激電路占空比最大只能為0.5，因此可以選取當(dāng)輸入為45.6v(輸入電壓最小)時(shí)，占空比為0.45，然后由式(5)算出變壓器的變比為7/4，由式(6)求出電感l(wèi)=13μh，根據(jù)式(7)解出電容c=25μf。

(2) 控制電路參數(shù)計(jì)算

開關(guān)電源采用占空比控制方式，可分為電壓模式控制和電流模式控制兩大類。電壓模式控制僅有一個(gè)電壓控制環(huán)，電流模式控制中還存在電流內(nèi)環(huán)。這里采用電壓模式控制，如圖6所示，運(yùn)算放大器u1為電壓控制器，運(yùn)算放大器u2為比較器。其控制原理為，取樣于輸出電壓的反饋電壓uf與給定電壓v3相比較，經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)，輸出電壓再與鋸齒波v1比較，產(chǎn)生一個(gè)pwm波，去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。

圖6 開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路

控制電路采用pi電壓調(diào)節(jié)器，需要確定的參數(shù)有c2、r3和r2，還有輸出采樣電阻。選取取樣電壓為輸出電壓的1/6，取樣電阻的值最后根據(jù)調(diào)試結(jié)果確定。根據(jù)不同要求的輸出電壓，調(diào)節(jié)可變電阻r6，以獲得相應(yīng)的給定電壓。取截止頻率為開關(guān)頻率的1/20，即τ=0.0004s。取r2=10kω，先取放大倍數(shù)kp=10，則r3=100kω，c2=τ/r3=40pf。

5 仿真試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的開關(guān)電源用pspice進(jìn)行仿真，首先在pspice下繪制電氣原理圖，仿真電路如圖7所示。再按上述步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)和電路調(diào)試，由于仿真試驗(yàn)的主要目的在于參數(shù)的確定和調(diào)試，因此，為簡(jiǎn)便起見可暫不考慮保護(hù)電路的作用。調(diào)試后的各參數(shù)最佳值見圖7。

圖7 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路原理圖

將圖7所示的開關(guān)電源控制電路圖用pspice進(jìn)行仿真，并進(jìn)行暫態(tài)時(shí)域分析，仿真時(shí)間設(shè)為2ms。仿真輸出波形如圖8所示:

圖8 vi=45v時(shí)的pwm波形、輸出電壓和取樣電壓波形

圖9 vi=48v時(shí)的pwm波形和輸出電壓

從圖8可以看出，其輸出電壓和反饋電壓均滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖9和10可以看到，雖然輸入電壓發(fā)生了變化，但該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其輸出電壓穩(wěn)定在所要求的12v，而且輸出紋波和穩(wěn)定時(shí)間均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 vi=51v時(shí)的輸出電壓波形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)正激變換電路進(jìn)行等效變換，將基本buck變換器的參數(shù)計(jì)算公式推廣到一類正激變換電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，并采用pspice仿真軟件進(jìn)行正激變換器的仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明了所推導(dǎo)公式是正確的。進(jìn)而對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行了pspice仿真、調(diào)試，證明了所推導(dǎo)的正激變換器參數(shù)計(jì)算公式適用于所有隔離型buck變換電路。