一種基于正激變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法_圖文

1、 綜合資訊 在線(xiàn)閱讀 原文閱讀 在線(xiàn)商城 下載專(zhuān)區(qū) D A T A S H E E T技術(shù)論壇 商務(wù)頻道嵌入式系統(tǒng)單片機(jī) D S P EDA/PLD接口電路存儲(chǔ)技術(shù)顯示光電電源技術(shù)傳感/控制模擬技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)通信電測(cè)儀表消費(fèi)電子汽車(chē)電子所在的位置:首頁(yè) 技術(shù)文章 電源技術(shù) 正文入門(mén)最佳:O K-2440-I I I S3C2440A R M9開(kāi)發(fā)板(開(kāi)發(fā)板+培訓(xùn)教程+源碼+開(kāi)發(fā)工具紅色颶風(fēng)I I代-A l t e r a版USB2.0-CY7C68013-128S開(kāi)發(fā)板紅色颶風(fēng)I I代-X i l i n x版一種基于正激變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法發(fā)布日期:2006-03-15 作者:鄭慧 湯

2、天浩 韓金剛 來(lái)源:變頻器世界摘要:本文通過(guò)對(duì)正激變換器拓?fù)溥M(jìn)行等效變換,推導(dǎo)出其參數(shù)計(jì)算公式,并用P s p i c e對(duì)正激變換器電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后,設(shè)計(jì)一個(gè)以雙管正激電路為主電路的開(kāi)關(guān)電源,并給出了P s p i c e的仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞:正激變換器等效變換參數(shù)計(jì)算 Pspice仿真開(kāi)關(guān)電源1引言經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,開(kāi)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(kāi)關(guān)電源雖然形式多樣,結(jié)

3、構(gòu)各異,但其大都源于幾種基本的D C-D C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D C-D C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(kāi)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中存在的問(wèn)題。本文在對(duì)基本的B u c k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B u c k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P s p i c e仿真軟件進(jìn)行了電路仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果證明了開(kāi)關(guān)電

4、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B u c k變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由電壓源V i、串聯(lián)開(kāi)關(guān)S、續(xù)流二極管V D和由L C組成的電流負(fù)載組合而成,其中L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B u c k變換器文獻(xiàn)1給出了B u c k變換器的電路設(shè)計(jì)公式,根據(jù)B u c k變換器的輸出公式:TI OMAP3530開(kāi)發(fā)平臺(tái) 888元51單片機(jī)系列國(guó)內(nèi)最超值的單片機(jī)學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)E L I T E-I I I單片機(jī)學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)-支持A T M E L、S T C、W I N B O N D、S S T四種芯片編

5、程-支持U S B接口編程-功能強(qiáng)大-精美包裝E L I T E-I V單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)248元單片機(jī)讀寫(xiě)U盤(pán)方案-S L811H S T開(kāi)發(fā)套件A R M開(kāi)發(fā)板系列B a s i c2410+3.5寸套裝l V G A1024*768S-v i d e o接口l l i n u x2.6.28l Q t e x t e n d e d4.4.3l w i n c e B S P6.0O K-2440-I I I+3.5寸套裝(送配套教材書(shū)M i c r o2440開(kāi)發(fā)板+3.5N E C套裝式中:為占空比,且有:=t o n /T ,則=V o /V i 。 電感L 的計(jì)算公式為: 式中:f

6、為開(kāi)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:V o 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B u c k 型變換器基礎(chǔ)上多了一個(gè)隔離變壓器T 1、一個(gè)二極管V D 1和一個(gè)由回收繞組N 3和箝位二極管V D 3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B u c k 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B u c k 變換電路,由此可將基本B u c k 變換電路的參數(shù)計(jì)

7、算公式(2和(3推廣到一類(lèi)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)V 1導(dǎo)通時(shí),二極管V D 1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 1儲(chǔ)能; (2 當(dāng)V 1截止時(shí),二極管V D 1截止,電感L 1中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)使續(xù)流二極管V D 2導(dǎo)通,電感L 1中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管V D 2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V D 1的通斷與開(kāi)關(guān)管V 1的通斷同步,因此可以將二極管V D 1用一個(gè)等效開(kāi)關(guān)管V 代替,如果可以忽略V 1的導(dǎo)通壓降,則變壓器副邊繞組的

8、感生電壓為: 式中:k 為變壓器的匝比,且有k =N 1/N 2。如果用一個(gè)大小為V i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m i n i 2440 開(kāi)發(fā)板 + N E C 3.5TE-2440-II 開(kāi)發(fā)板l 雙網(wǎng)口 l C A N 總線(xiàn) l V G A接口 l工業(yè)設(shè)計(jì)F PG A /C P L D 開(kāi)發(fā)板系列紅色颶風(fēng)I I 代-A l te r a 版 (E P 1C 6Q 240 F P G A 開(kāi)發(fā)板紅色颶風(fēng)II 代-X i l i n x 版 (X C 3S400 F P G A 開(kāi)發(fā)板N IO S I I 2.1 E P 1C 6F PG A 開(kāi)發(fā)板

9、F PG A E P 1C 6開(kāi)發(fā)板NIOS II 2.1EP1C12開(kāi)發(fā)板C y c l o n e II EP2C8 音頻開(kāi)發(fā)板E P M 7128 C P L D 開(kāi)發(fā)板E P M 1270T 144C C P L D 開(kāi)發(fā)板一個(gè)基本的B u c k 變換器。等效電路如圖3所示,圖中用開(kāi)關(guān)V 代替了圖2電路中的開(kāi)關(guān)管V 1與二極管V D 1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B u c k 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。這樣,就可以采用基本B u c k 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B u c k 變換器由圖3可將公式(2和(3推廣

10、,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)P s p i c e 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48V D C ,輸出電壓為12V D C ,輸出電流為5A ,輸出電壓紋波分量 Vo 為1V ,開(kāi)關(guān)頻率f 為50k H z 。先選定=0.4,即t o n =8s ,再由式(5、(6和式

11、(7算出變壓器的匝數(shù)比為1.6,L 1= 15H ,C 1=24F ,而R L =V o /I o =2.4。 在P s p i c e 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1m s 。 仿真輸出電壓波形如圖4所示,可以看出,其輸出電壓在0.2m s 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。U S B B l a s t e r 下載器D S P 開(kāi)發(fā)板系列D S P 2812S -S T U D Y -K I T 開(kāi)發(fā)板DSP2812+USB2.0 CY7C68001學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)DSP2812-Pro 多功能開(kāi)發(fā)板DSP2

12、407A+USB2.0+NET 開(kāi)發(fā)板DSP28335 Lite 學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)板DSP28335S 學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)板DSP5509S-STUDY-KIT 學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)板DSP5416+FPGA 1C6+U S B 2.0 C Y 7C 68001開(kāi)發(fā)板DSP5402網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音開(kāi)發(fā)板DSP+CPLD+單片機(jī)學(xué)習(xí)板X(qián)DS510-USB2.0仿真器USB2.0/CAN 總線(xiàn)開(kāi)發(fā)板系列U S B 2.0-C Y 7C 68013A -56開(kāi)發(fā)板U S B 2.0-C Y 7C 68013-128S 開(kāi)發(fā)板無(wú)線(xiàn)通信開(kāi)發(fā)板系列 無(wú)憂(yōu)無(wú)線(xiàn)n R F 9e 5 S O C 開(kāi)發(fā)平臺(tái)無(wú)憂(yōu)無(wú)線(xiàn)n R F 24Z 1高保真數(shù)字 音

13、頻傳輸開(kāi)發(fā)平臺(tái) 圖4雙管正激變換器主電路4開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,要求輸入電壓為48V D C,輸入變化范圍為±5%,輸出電壓為12V D C,輸出電壓紋波范圍為1V,輸出電流為5A,開(kāi)關(guān)頻率為50k H z。(1 主電路參數(shù)計(jì)算選取雙管正激電路作為開(kāi)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(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,且因?yàn)橛蠽 D A、V D B,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=20s,R=V o

14、/I o=2.4,I o m i n = 11.5V/2.4=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=13H,根據(jù)式(7解出電容C=25F。(2控制電路參數(shù)計(jì)算開(kāi)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(lèi)。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u f與給定電壓V3相比較,經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié),輸出

15、電壓再與鋸齒波V1比較,產(chǎn)生一個(gè)P W M波,去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。 圖6開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路控制電路采用P I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(kāi)關(guān)頻率的1/20,即=0.0004s。取R2=10k,先取放大倍數(shù)K p=10,則R3=100k,C2=/R3=40P F。5仿真試驗(yàn)將設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源用P s p i c e進(jìn)行仿真,首先在P s p i c e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

16、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(jiàn)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(jiàn)圖7。 圖7開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路原理圖將圖7所示的開(kāi)關(guān)電源控制電路圖用P s p i c e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2m s。仿真輸出波形如圖8所示:圖8 Vi4V 5 時(shí)的PM W波形、輸出電壓和取樣電壓波形 圖9 Vi4V 8時(shí)的PM W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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 從圖9 0 和1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1V 2，而且輸出紋波和穩(wěn)定時(shí)間均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 圖1 0 6 結(jié)束語(yǔ) Vi5V 1時(shí)的輸出電壓波形圖 本文通過(guò)對(duì)正激變換電路進(jìn)行等效變換，將基本Bc變換器的參數(shù)計(jì)算公式推廣到一類(lèi)正激變換電路 uk 的參數(shù)設(shè)計(jì)，并采用Ppc仿真軟件進(jìn)行正激變換器的仿真試驗(yàn)