一種新穎的開關電源設計方法

70年代中期以來，無工頻變壓器開關電源技術風靡歐、美、日等世界各國。特別是90年代以來，通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了開關電源的發(fā)展。最初的開關電源開關頻率在20kHz左右，略高于最高音頻，不會給人們帶來討厭的噪聲。[1]隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，高頻化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信電源領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流/直流（DC/DC）變換器稱為二次電源。

在傳統(tǒng)的電源設計中，從用戶需求的提出到實際電路的設計定型要經過一個較長的過程。為了解決傳統(tǒng)的電源設計周期長的缺點，美國（MICROSIM）公司和國家半導體公司（NS）合作開發(fā)了一套新穎的網上電源設計系統(tǒng)（Websim）,并在其網站http://Power.national.com上發(fā)布，為我們提供了一個比較理想的二次電源設計方法。

2傳統(tǒng)的電源設計方法與基于Internet電源設計方法的比較

2.1通信用高頻開關電源

通信電源是將市電提供的單相或三相交流電壓變換成標稱值為24V至48V的直流電源。目前在程控交換機中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源已被高頻開關電源取代。高頻開關電源（也稱為開關型整流器SMR）通常使用大功率高頻開關器件MOSFET或IGBT，開關頻率一般控制在50～100kHz范圍內，初步實現(xiàn)高效率和小型化。[3]近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量已從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

通信設備中所用集成電路的種類繁多，其要求的供電電壓也各不相同。在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊，從中間母線電壓（一般為24V至48V直流）變換成所需的各種直流電壓。這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增容非常方便，一般都可直接裝在標準控制板上。對二次電源的要求是高功率密度，因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。[2]

開關電源中通過DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓。目前，通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率一般在500kHz以下，功率密度為5W～20W/in3。且用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能（20～30）％。在開關電源中直流斬波器不僅起調壓的作用，同時還起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊進一步小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有了較大幅度的提高。[4]

2.2網上電源設計與傳統(tǒng)的電源設計方法的比較

（1）傳統(tǒng)的電源設計

表1確認框傳統(tǒng)的電源設計都是先根據所需的電路參數(shù)設計電路結構和選取電路元器件參數(shù)；然后在計算機上用Pspice或Electronicworkbench等CAD軟件進行仿真，得到輸入輸出波形，再進行分析。這種方法比較直觀，但是也有其固有的缺點，如：

①設計周期比較長，稍為復雜一些、功率容量大一些的開關電源，從元器件選擇、參數(shù)確定，計算機仿真、調試到完成設計投入生產，一般要經過數(shù)個星期甚至數(shù)月的時間；

②CAD軟件的元件庫更新速度不夠，當前電子技術迅猛發(fā)展，而一般的仿真軟件都有一定的滯后；

③CAD軟件使用不夠方便，一般的電路設計軟件的使用都比較復雜，對使用者的要求比較高，仿真過程中稍不注意就會出現(xiàn)不收斂等問題；

④如果電源設計者的計算機配置不夠高，進行一個仿真就需要比較長的時間。

（2）基于Internet的電源設計方法及其特點

MICROSIM與NS合作，開發(fā)了網上電源設計系統(tǒng)（Websim），它是國際上半導體工業(yè)的第一個用于電源管理設計的綜合網上資源，該設計系統(tǒng)的功能包括元器件選擇、電路設計、演示板定購和在線樣本仿真，其優(yōu)點是：

①設計周期短由于Websim是在輸入電壓要求之后直接給出電路，省去了用戶自己設計電路拓撲和計算電路參數(shù)的環(huán)節(jié)，并且只需在所給的典型應用電路上稍作改動即可得到所需的電路，因此使得電源設計可以在很短時間內完成；

②節(jié)約投資用戶可以使用網站上提供的超級計算機和仿真軟件完成電源的設計工作，消除了對昂貴軟件和工作站的依賴。既保證了計算的精度，也節(jié)約了設計的成本；

③簡便直觀Websim的使用對用戶沒有很高的要求，使用者只需對開關電源電路有一定的認識、各主要節(jié)點的波形有一定的概念，就可以設計符合要求的電路，不需對復雜的仿真軟件有很深的認識。

3Webench工具軟件及其應用示范

Webench是一套電源設計工程師使用的工具，具有Websim功能，它提供了相互作用的工具，能夠選擇、仿真和定購樣品，實現(xiàn)省時的供電設計。Websim是一個瀏覽器式的仿真工具。它能夠實現(xiàn)如下功能：

（1）供電線路性能的實時反饋；

（2）可以得到穩(wěn)態(tài)（SteadyState）、起動（Start

Up）、線路瞬時響應（LineTransientResponse）、負載瞬時響應（LoadTransientResponse）、環(huán)路增益檢測（LoopGainMeasurement）和趨勢預測；

（3）測量數(shù)據處理和波形顯示。

以一個輸入為最小20V，最大22V；輸出為＋5V（1A）、＋10V（0.5A）、－15V（0.2A）的三輸出DC/DC變換器為例，給出典型的設計步驟。

3.1從Power.national.com獲取信息

首先在瀏覽器的地址欄中鍵入：Http://power.national.com選擇Webench。假如用戶是第一次登陸，系統(tǒng)會要求輸入一個電子郵箱地址作為帳號，并發(fā)出一封確認信，通過了身份確認后，就可以使用該網站了。網站會給每個正式用戶分配一個“MyWebench”的磁盤空間，用于存儲個人仿真、設計材料單和在線元器件分布和演示板。以后用戶可以通過個人化“MyAccount”，獲取個人帳號的所有信息，如ChangePassword等功能。

3.2用solutionselector選擇元器件

（1）正確登陸Webench后，會有一個對話框，要求用戶在各欄上設定開關電源的各項設計要求值，包括設定電源的輸入電壓最大值和最小值、環(huán)境溫度變化范圍、開關電源的各組輸出電壓和電流值等。本例要求是設計一個單輸入，三輸出的Flybach型開關電源。

（2）設計要求提交后，會自動列出NS所生產的、能夠構成符合輸出要求的各種PWM集成芯片和設計要求的確認框，如表1所示。

圖1LM2585內部框圖（此圖由MICROSIM網站下載）