基于multisim開關(guān)電源的仿真設(shè)計(jì).doc

KC017-12006 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題 目 基于multisim開關(guān)電源的仿真設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名 周 大 偉 班 級(jí) 0 2 電 三 指導(dǎo)教師 許 澤 剛 起止日期 06.3.19-06.3.2 2006年 03 月 31日目 錄1. 課題簡介.32. 課題的來源與現(xiàn)狀.32.1課題的來源 .32.2課題的現(xiàn)狀.33. 設(shè)計(jì)要求及工作內(nèi)容.4 3.1設(shè)計(jì)要求.4 3.2工作內(nèi)容.44. 設(shè)計(jì)方案及技術(shù)路線.5 4.1 BUCK變換器設(shè)計(jì).5 4.2 Multisim仿真的優(yōu)點(diǎn).95. 預(yù)期目標(biāo).96.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排.107. 參考文獻(xiàn) .108. 時(shí)間安排表 .129. 指導(dǎo)教師意見.1310.系部意見.13 1. 課題簡介本課題僅對最基本的PWM變換器主電路拓?fù)渲坏腂uck 變換器進(jìn)行研究，通過設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源知識(shí)和設(shè)計(jì)程序的基本了解。目前開關(guān)電源的設(shè)計(jì)有兩種途徑，最常用的是模塊化設(shè)計(jì)方法。BUCK變換器構(gòu)成一大類開關(guān)電源拓?fù)淦潆娐返慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是功率管之后或變壓器二次側(cè)輸出整流器之后緊跟LC濾波器。本設(shè)計(jì)采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 2. 課題的來源及現(xiàn)狀2.1課題來源本課題來源于科研，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的研發(fā)越來越被人們重視，在技術(shù)方面也有了更為深入的發(fā)展，這就要求我們及時(shí)、準(zhǔn)確地把握開關(guān)電源的相關(guān)知識(shí)和發(fā)展動(dòng)向。 2.2課題現(xiàn)狀開關(guān)電源(Switched mode power supplies, SMPS)由于在體積、重量和效率等多方面的優(yōu)勢，已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信和家用電器等領(lǐng)域。電視、機(jī)頂盒和錄像機(jī)等家電設(shè)備大都在使用這種電源，用于手機(jī)、PDA甚至電動(dòng)牙刷的許多電池充電器也在使用開關(guān)電源，因?yàn)樗鼈兙邆鋫鹘y(tǒng)線性電源所沒有的優(yōu)勢，它已成為當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。隨著許多電器具尺寸不斷減小，供電電源所占尺寸變得小得多，人們在降低開關(guān)電源的體積重量方面做了不少工作。發(fā)展小型化輕型電源，對便攜式電子設(shè)備（如移動(dòng)電話等）尤為重要。開關(guān)電源技術(shù)是一門運(yùn)用半導(dǎo)體功率器件實(shí)現(xiàn)電能的高效率變換，將粗電變換成精電，以滿足供電質(zhì)量要求的技術(shù)。由于在開關(guān)電源中半導(dǎo)體功率器件工作在高頻開關(guān)方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)涉及到半導(dǎo)體功率器件應(yīng)用技術(shù)，電子技術(shù)，自動(dòng)控制理論，熱分析與設(shè)計(jì)等。經(jīng)過多年的發(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，涉及元器件眾多，以及要降低成本，提高可靠性，仍存在一些問題需要解決。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)，而且有一定難度。對于第一個(gè)問題，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)，開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)?。或者是這些基本電路組合，因此可以對幾種基本DC-DC變換器進(jìn)行分析，從而進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)。3.設(shè)計(jì)要求及工作內(nèi)容3.1設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的BUCK變換器輸入直流電壓10伏，輸出5伏，開關(guān)頻率100kHz,電流10安培。設(shè)計(jì)主電路及閉環(huán)控制電路，并用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真。用Multisim仿真可以盡早發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)中的問題，也就可以盡快解決。減少投資，加快開發(fā)速度，大大減少了設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。3.2工作內(nèi)容（1） 了解Buck變換器的設(shè)計(jì)方法；（2） 熟悉Multisim仿真軟件； （3） 進(jìn)行方案比較，確定簡便、可行的方案。（4） 繪制BUCK主電路和控制電路，并完成閉環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)；（5） 采用參數(shù)掃描法設(shè)計(jì)濾波電感； （6） 采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)；（7） 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯；4.設(shè)計(jì)方案及其技術(shù)路線4.1BUCK變換器設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)分為BUCK主電路和閉環(huán)控制電路兩部分的設(shè)計(jì)，且采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用Buck（降壓）電路，Buck 變換器是最基本的PWM變換器主電路拓?fù)渲?。圖1是BUCK變換器電路。圖1 降壓（Buck）變換器電路主要的設(shè)計(jì)步驟為：主電路選型（Buck電路），“黑箱”計(jì)算，輸出濾波電路設(shè)計(jì)（濾波電感設(shè)計(jì)和濾波電容的確定），開關(guān)器件及二極管的設(shè)計(jì),控制電路的設(shè)計(jì)等等。具體設(shè)計(jì)路線如下：1.技術(shù)指標(biāo)輸入電壓：DC +10V輸出電壓：DC +5V最大輸出電流：10A輸出電壓紋波峰峰值：+30mV輸出精度：1%2.“黑箱”預(yù)先估計(jì)輸出功率：5V*10A=50W(max)輸入功率：P/N= 50W/0.90 = 55.56W功率開關(guān)損耗：（55.56W-50W）*0.5 = 2.78W續(xù)流二極管損耗：（55.56W-50W）*0.5 = 2.78W3.輸入平均電流輸入平均電流：55.56W/10V =5.56A估計(jì)峰值電流： 10A*（100%+10%） = 11A4.濾波電感的設(shè)計(jì)(參數(shù)掃描法)設(shè)計(jì)濾波電感應(yīng)根據(jù)輸出電壓、輸出電流和開關(guān)頻率，并應(yīng)首先選定允許的電感電流最大紋波值。然后計(jì)算設(shè)計(jì)工作電感：L=(V-V)(1- V/V)/(1.1If)=(10V-5V)(1-5/10)/(1.1*2.0A*100KHZ)=11.4 uHV-輸入電壓最大值；V-輸出電壓；I-最小負(fù)載電流;f-工作頻率。并用參數(shù)掃描法進(jìn)行驗(yàn)證。5.選擇功率開關(guān)和續(xù)流二極管功率開關(guān)：功率開關(guān)選用P溝道的MOSFET。輸入電壓10V，峰值電流為11A，為了使損耗小于2.78W，可以估算R的值：R = 2.78W/(11A) 0.127(最大)續(xù)流二極管：為了減小導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，續(xù)流二極管要選用肖特基二極管。6.輸出電容輸出電容由下式?jīng)Q定：C = =10A*(1-5V/10V)/(100KHZ*30mV)=1667uF故選取4個(gè)470 uF并聯(lián)。對輸出和輸入濾波電容主要關(guān)心的是流過這些電容的紋波電流。在這種情況下紋波電流與電感上電流的交流分量是相同的。 7.閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使開關(guān)電源在各種工作情況下均能穩(wěn)定工作，并且達(dá)到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能，因此控制電路設(shè)計(jì)工作的核心是電壓反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。PWM控制電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的控制量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，該信號(hào)的開關(guān)頻率固定。電路結(jié)構(gòu)框圖為：基準(zhǔn)源振蕩器隔離 驅(qū)動(dòng)PWM比較器誤差電壓放大器圖2 控制電路結(jié)構(gòu)框圖（1）基準(zhǔn)源用于提供高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓，作為電路中的給定基準(zhǔn)。（2）振蕩器產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，以控制開關(guān)頻率。（3）誤差電壓放大器（EA）實(shí)際上就是一個(gè)運(yùn)算放大器，用來構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)器。（4）PWM比較器將調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM脈沖的占空比，采用振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波同比較的方式。（5）驅(qū)動(dòng)電路用來提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率，以便有效的驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)器件。8.電壓檢測電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（R和R）R（下端的電阻）R=2.5V/1.0mA=2.49K歐姆（1%）故選取R不小于2.49k歐姆，取R=3K 歐姆。R（上端的電阻）R=（5V-2.5V）/1.0mA=2.49k歐姆（1%）故選取R不小于2.49k歐姆，取R=3K ohm。4.2 Multisim仿真優(yōu)點(diǎn)本課題基于Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)完成，采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真。從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大變革PSpice,EWB等一大批各具特色的優(yōu)秀電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件的出現(xiàn)改變了以定量估算和電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)方法。Multisim為EWB的電子仿真設(shè)計(jì)模塊，也是EWB模塊中最具特色的模塊。2001年IIT公司推出了Multisim的最新版本Multisim 2001，它對以前的版本有了許多改進(jìn)，具備更大的優(yōu)點(diǎn)：1）重新驗(yàn)證了元件庫中所有元件的信息和模型，使其更加精確和可靠。2）允許客戶自定義元器件的屬性。3）提高數(shù)字電路仿真的速度。4）允許把子電路當(dāng)作一個(gè)元器件使用，從而增大了電路的仿真規(guī)模。5）根據(jù)電路圖形大小程序能自動(dòng)調(diào)整電路窗口尺寸，不再需要人為設(shè)置。6）開設(shè)了EdaPARTS.com網(wǎng)站，為用戶提供元器件模型的擴(kuò)充和技術(shù)支持。本課題設(shè)計(jì)過程基于開關(guān)電源變換器模塊化設(shè)計(jì)思想，是一種開關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本思路，對于其它類型的PWM變換器的設(shè)計(jì)，具有很大的參考、借鑒意義。5.預(yù)期目標(biāo)本課題探討基于Multisim的Buck變換器的設(shè)計(jì)方法，一方面由于Buck 變換器是最基本的PWM變換器主電路拓?fù)渲?，另一方面其設(shè)計(jì)基本思路對于其它類型的PWM變換器設(shè)計(jì)具有參考、借鑒意義。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為CAD自動(dòng)化的一個(gè)有效工具，已廣泛應(yīng)用到電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析研究中。采用仿真技術(shù)，可以降低設(shè)計(jì)費(fèi)用和縮短研發(fā)周期，并改進(jìn)電力電子電路的可靠性。本課題結(jié)合Multisim仿真軟件，探討閉環(huán)Buck變換器的設(shè)計(jì)方法。6.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排第一周： 查找相關(guān)資料，擬訂進(jìn)程。第二周： 完成開題報(bào)告。第三周： 完成方案比較，確定設(shè)計(jì)方案。第四十一周：根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)（包括仿真）。第十二周： 準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的草稿。第十三周： 將所有材料打印，裝定。第十四周： 準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。7.參考文獻(xiàn)：1鄭步生：Multisim200電路設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用，電子工業(yè)版社2Multisim User Guide, Interactive Image Technology Ltd.Canada3趙世強(qiáng)等：電子電路EDA技術(shù),西安電子科技大學(xué)出版社4徐德鴻譯：開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南，機(jī)械工業(yè)出版社5耿文學(xué)譯：開關(guān)電源手冊，機(jī)械工業(yè)出版社6楊 旭等：開關(guān)電源技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社7張占松 蔡宣三：開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社8沙占友等：新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社9，張立：現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社10，胡壽松：自動(dòng)控制原理，科學(xué)出版社11, 諸 靜等：控制理論十年與發(fā)展，浙江大學(xué)出版社12, Power Supply Control Products(PS)Data Book, Unitrode from Texas Instruments 200013, Anunciada V , Silva M New Constant-Frequency Current Mode Control for Power Converters, Stable for all values of Duty Ratio,and Usable in All Four Quadrants .IEEE Transaction on Industrial El