基于LTspice IV的開關電源設計及仿真

賴聯有,陳僅星,許偉堅

（集美大學 信息工程學院,福建 廈門 361021）

0 引 言

開關電源(SMPS:Switch Mode Power Supply)是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源。非隔離式DC/DC變換具有六種基本拓撲結構:降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、極性反轉升降壓(Buck-Boost)變換器、Cuk(Boost-Buck串聯)變換器、Sepic變換器、Zeta變換器[1-3]。與線性電源相比,開關電源具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優點。

LTspice IV是LT公司推出的SPICE電路仿真軟件,具有集成電路圖捕獲和波形觀測功能。LTspice IV內置新型SPIE元件,能快速進行SMPS交互式仿真,且無元件或節點數目的限制。LT spice IV雖然與開關模式電源設計配合使用,但它并不是SMPS專用型SPICE軟件,而是一款通用型SPICE。LTspice IV內置了LT公司新型SPARSE矩陣求解器,采用專有的并行處理方法,實現了對任務的高效并行處理[4]。

1 設計實例

利用LTspice IV設計并仿真一個升壓變換電源。基本要求是輸入電壓:9 V～12 V;輸出電壓:16 V/19 V 24 V;輸出電流:4 A。

1.1 電路原理

實例采用的電源主控芯片 LTC3814-5是LT公司的無檢測電阻(No Sense Resistor)的同步升壓型開關穩壓控制芯片,該芯片不需要中高功率非同步升壓型變換電路中所需的升壓二極管和散熱器。LTC3814-5片內具有1 Ω雙路N溝道MOSFET柵極驅動器,能夠提供大電流以快速驅動大型MOSFET,最大限度地減小變換損耗。LTC3814-5可以用4.5 V到14 V的輸入電源以97%的高效率變換輸出24 V/4 A中功率電源,可以調節的輸出電壓高達60 V。

根據設計要求,采用LTC3814-5設計的Boost變換電路如圖1所示。

圖1 LTC3814-5 Boost電路

在圖1中,BG連接場效應管Q1,開關電源的開關信號由此輸出。TG連接場效應管Q2,TG的輸出信號與BG的輸出信號相配合,Q2相當于一個低導通壓降的二極管。穩壓二極管D2對Q2提供反向過壓保護。變換后的電壓經C3濾波后輸出到負載。電流的主通路是:輸入電源U1→電感L1→場效應管Q2→負載Rload。R2和R3構成分壓取樣電路,取樣電壓經FB反饋輸入后,LTC3814根據反饋電壓的大小調整開關信號的占空比,從而實現電壓負反饋穩定輸出電壓。

1.2 仿真結果

正常負載下(輸入電壓為12 V,輸出負載電阻為6 Ω,下同),觀測圖1中BG的輸出信號波形和L1的電流波形。Q1的開關控制信號波形和電感L1上的輸入電流波形如圖2所示。圖2中的方波是BG輸出的開關控制信號波形;三角波是電感上的輸入電流波形。從圖2也可以看出:當BG輸出高電平時,輸入電源向電感充入電流;當BG為低電平時,電感中的能量轉換輸出。

圖2 Q1控制信號和L1輸入電流波形

正常負載下,觀測圖1中Rload上的電壓電流波形。輸出電壓電流波形圖3所示。從圖3可以看出,輸出電壓為24 V,輸出電流為4 A,輸出電壓電流的紋波很小。

圖3 正常負載時,輸出電壓電流波形

過流下(設置輸入電壓為12 V,輸出負載電阻為1 Ω),觀測圖1中Rload上的電壓電流波形,輸出電壓電流波形圖4所示。從圖4可以看出,輸出電壓為24 V,輸出電流為24 A,但是輸出電壓電流的紋波很大。

圖4 過流時,輸出電壓電流波形

正常負載下,觀測圖1中 Rload上的電壓波形,輸出電壓的紋波波形圖5所示。從圖5可以看出,輸出電壓為24 V,紋波電壓約為0.16 V,紋波電壓系數k=Urip/U×100%=0.67%。

圖5 輸出紋波電壓(局部放大)

正常負載下,觀測圖1中Q1的電壓波形和電流波形,把電壓電流波形相乘可得Q1的功率波形,即PQ1=U(n005)Id(Q1)。場效應管Q1上的功率如圖6所示。局部放大圖6后的波形,如圖7所示。從圖7可以看出,Q1的功耗只發生在Q1開關時刻,其余時刻實現了零功耗。對圖6的功率波形(取穩定段)進行仿真計算,得出場效應管Q1平均功耗為578.73 mW。

圖6 Q1消耗功率波形

圖7 Q1消耗功率波形(局部放大)

2 結 語

利用LTspice IV進行開關電源的設計仿真,不但方便、快捷,還可以直觀地觀測電路中任意點的波形。根據仿真波形可以判斷電路的工作狀態、對電路中具體器件進行功耗分析,從而為設計人員進行設計改進、PCB布局布線、調試、測試提供指導與參考。

[1]李定宣.開關穩定電源設計與應用[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2][日]長谷川.開關穩壓電源的設計與應用[M].北京:科學出版社,2006.

[3][日]戶川治郎.實用電源電路設計手冊[M].北京:科學出版社,1989.

[4]沙占友.開關穩壓器計算機輔助設計與仿真軟件的應用[M].北京:機械工業出版社,2008.