基于PSpice的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計與仿真

20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源。在半個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代由傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計制造的連續(xù)工作的線性電源，并廣泛用于電子、電氣設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成了計算機的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備以及家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進入快速發(fā)展期。

Cadence旗下的PSpice是一款電路仿真軟件，能夠?qū)?fù)雜的模數(shù)混合電路進行仿真，而且開關(guān)電源也不例外。

升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓變換器屬于間接能量傳輸變換器。供電過程包含能量的存儲和釋放兩方面。如圖1所示，Vclock是脈沖信號源，提供PWM電壓，用以功率開關(guān)S1的導(dǎo)通與截止。Rsense為電流取樣電阻，Resr為電容的等效串聯(lián)電阻。在開關(guān)S1導(dǎo)通期間，二極管D1截止，電感儲存能量，輸出電容單獨為負(fù)載提供電能。在開關(guān)S1斷開期間，二極管D1導(dǎo)通，儲存了能量的電感與輸入電源串聯(lián)，為輸出提供電能，其中一部分轉(zhuǎn)移到電容C1里。

1、工作于CCM條件下的升壓變換器波形

對圖1所示電路，借助PSpice進行仿真，獲得如圖2所示的波形圖。這是典型的電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。

圖1基礎(chǔ)升壓變壓器結(jié)構(gòu)電路

圖2工作于CCM條件下的Boost變換器波形

曲線①代表PWM波形，用于觸發(fā)功率開關(guān)導(dǎo)通或斷開。當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通時，公共點SW/D電壓幾乎降到0.相反，當(dāng)開關(guān)S1斷開時，公共點SW/D電壓增加為輸出電壓和二極管的正向壓降之和，如曲線②所示。曲線③描述了電感兩端電壓的變化。高電平期間，電感左側(cè)電壓為Vin，右側(cè)幾乎為0，對應(yīng)功率開關(guān)導(dǎo)通；而低電平期間，電感左側(cè)電壓仍為Vin，而右側(cè)突變?yōu)閂out，因為功率開關(guān)截止，同時二極管導(dǎo)通，此時對應(yīng)電感電壓為負(fù)值，這就意味著輸出電壓大于輸入電壓。

電感電路在平衡時，電感兩端電壓平均值為0，即電感的電壓時間平衡。也就是圖中陰影部分面積S1=S2.假設(shè)D為PWM的占空比，TSW為開關(guān)周期。則

整理得到

可見，在理想情況下，D越接近1，輸出電壓將趨于無窮大。實際上，只要輸出一定的電流，就難以得到傳輸系數(shù)超過4~5的升壓變換器。

曲線④為電感電流波形。可以看到電感電壓雖然出現(xiàn)了跳變，但電感電流仍然是連續(xù)的。

曲線⑤是輸出電壓波形，也是電容電壓?？梢钥吹交謴?fù)尖峰以及電壓紋波。若考慮輸出電容的ESR，則相對紋波為

曲線⑥是輸入電流，明顯它是連續(xù)的。

2、工作于臨界導(dǎo)通模式下的電感電流

當(dāng)電感電流紋波降到0時，功率開關(guān)S1立即閉合，電感電流又向上增大。如圖3所示電感電流處于臨界點的電流變化。此時，電感電流平均值即對稱三角形的電流平均值為最大值的1/2.即

假設(shè)效率為100%，則有

聯(lián)立以上兩式，可得R和L的臨界值

圖3電感電流處于臨界點的電流變化