基于PSpice的升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與仿真

唐衛(wèi)斌

(1.西安電子科技大學(xué)研究生院，陜西西安 710071;2.陜西商洛學(xué)院物理與電子信息工程系，陜西商洛 726000)

20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)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(diǎn)而逐漸取代由傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的連續(xù)工作的線(xiàn)性電源，并廣泛用于電子、電氣設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成了計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開(kāi)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(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)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(jìn)行仿真，而且開(kāi)關(guān)電源也不例外。

1 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(guò)程包含能量的存儲(chǔ)和釋放兩方面［1－2］。如圖1所示，Vclock是脈沖信號(hào)源，提供PWM電壓，用以功率開(kāi)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(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通期間，二極管D1截止，電感儲(chǔ)存能量，輸出電容單獨(dú)為負(fù)載提供電能。在開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)期間，二極管D1導(dǎo)通，儲(chǔ)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。

圖1 基本升壓變換器結(jié)構(gòu)電路

1.1 工作于CCM條件下的升壓變換器波形

對(duì)圖1所示電路，借助PSpice進(jìn)行仿真［3］，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)。

曲線(xiàn)①代表PWM波形，用于觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或斷開(kāi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓幾乎降到0。相反，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，公共點(diǎn)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(xiàn)②所示。曲線(xiàn)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(duì)應(yīng)功率開(kāi)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?yàn)楣β书_(kāi)關(guān)截止，同時(shí)二極管導(dǎo)通，此時(shí)對(duì)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(shí)，電感兩端電壓平均值為0，即電感的電壓時(shí)間平衡［4］。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(kāi)關(guān)周期。則

整理得到

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

曲線(xiàn)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(xiàn)⑤是輸出電壓波形，也是電容電壓。可以看到恢復(fù)尖峰以及電壓紋波。若考慮輸出電容的ESR，則相對(duì)紋波為［5］

曲線(xiàn)⑥是輸入電流，明顯它是連續(xù)的。

1.2 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(shí)，功率開(kāi)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(diǎn)的電流變化。此時(shí)，電感電流平均值即對(duì)稱(chēng)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

圖3 電感電流處于臨界點(diǎn)的電流變化

聯(lián)立以上兩式，可得R和L的臨界值

2 PWM開(kāi)關(guān)模式

1986年前后，脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)開(kāi)關(guān)模式被提出［6］，先后出現(xiàn)了電壓模式和電流模式。電流模式是目前常用的控制方法之一。

2.1 電流模式及其不穩(wěn)定性

電流模式檢測(cè)電感電流和開(kāi)關(guān)電流，并在逐個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上同誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，控制PWM脈寬，由于電感電流隨誤差信號(hào)的變化而變化，從而更容易設(shè)置控制環(huán)路，改善了線(xiàn)性調(diào)整率。

在CCM條件下，占空比超過(guò)50%時(shí)，電流模式存在固有不穩(wěn)定性，也稱(chēng)為次諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性與穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無(wú)關(guān)，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時(shí)工作所引起［7］。圖4(a)顯示了這種現(xiàn)象，在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)開(kāi)始導(dǎo)通，使電感電流以斜率m1上升，t1時(shí)刻，電流取樣輸入達(dá)到由控制電壓建立的門(mén)限。這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電流以斜率m2衰減，直至下一個(gè)振蕩器周期。如果有一個(gè)擾動(dòng)加到控制電壓上，產(chǎn)生一個(gè)小的ΔI，在一個(gè)固定的振蕩器周期內(nèi)，電流衰減時(shí)間減少，最小電流在開(kāi)關(guān)接通時(shí)刻t2上升了ΔI+ΔI*m2/m1。最小電流在下一個(gè)周期t3減小至(ΔI+ΔI*m2/m1)m2/m1。如果m2＞m1，這樣擾動(dòng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期的逐漸積累后，就會(huì)出現(xiàn)占空比一大一小的現(xiàn)象，即發(fā)生了次諧波振蕩。圖4(b)顯示了通過(guò)在控制電壓上增加一個(gè)與脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為斜坡，該斜坡的斜率如果≤m2/2，才能使得電感電流跟隨控制電壓，達(dá)到真正的電流模式工作。

圖4 連續(xù)電流波形圖

2.2 高性能電流模式控制器UC2843簡(jiǎn)介

UC2843是一種電流型脈寬調(diào)制電源芯片［7］，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計(jì)，常用作反饋式開(kāi)關(guān)電源的控制電路。UC2843工作電壓為8.5～36 V，是專(zhuān)為離線(xiàn)和DC－DC變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，提供了只需少量外部元件就能獲得低成本高效益的解決方案。具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷骸⒏咴鲆娴恼`差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。其它的保護(hù)特性包括滯后式欠壓鎖定，低壓鎖定門(mén)限為8.5 V(通)和7.6 V(斷)，還有逐周電流限制、可控輸出靜區(qū)時(shí)間等。

圖5所示為UC2843的內(nèi)部框圖。

圖5 UC2843的內(nèi)部框圖

3 升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

電源的技術(shù)指標(biāo)為:輸入標(biāo)稱(chēng)12 V，動(dòng)態(tài)范圍9～18 V，輸出24 V，Io為1A，頻率為300 kHz，輸出電壓精度為1%。設(shè)計(jì)電路如圖6所示［8］。

圖6 12～24 V升壓變換器電路

3.1 元件參數(shù)選擇

(1)儲(chǔ)能電感。

在保證電感電流連續(xù)模式前提下，電感值應(yīng)滿(mǎn)足［9］

其中，Vs為為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)漏極電位。假定電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為平均電流的30%，即

故，電感值可取

綜合考慮，電感可取50～150 μH。

(2)其它元件參數(shù)選擇。

為得到300 kHz的工作頻率，選擇RT電阻為27 kΩ，CT為220 pF。UC2843內(nèi)部腳2為誤差放大器的反向輸入端，正向輸入基準(zhǔn)為2.5 V，可知輸出電壓為Vo=2.5(1+R1/R2)，由此可確定輸出取樣電阻R1和R2值分別8.7 kΩ和1 kΩ。開(kāi)關(guān)管，由于工作在大電流狀態(tài)，且頻率為300 kHz。應(yīng)選擇Rds小的功率開(kāi)關(guān)MOS管。輸出二極管應(yīng)選擇快恢復(fù)二極管以保證開(kāi)關(guān)的正常工作。輸出電容是一個(gè)重要的儲(chǔ)能元件，所以應(yīng)選用100 μF及以上的電解電容，其余元件參數(shù)如圖6所示。為防止次諧波振蕩，特加入了由Q1組成的斜坡補(bǔ)償電路。

3.2 電路模擬仿真

運(yùn)行PSpice仿真，得到如圖7所示波形［10］。在9 V輸入電壓下，輸出電壓23.899 V，電壓紋波11 mV，電感電流1.545 9 A，紋波271 mA，占空比75%。由于加入了斜坡補(bǔ)償，所以并沒(méi)有出現(xiàn)次諧波振蕩，即占空比時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象。電源效率為70%。電路元件參數(shù)的具體選擇，可參考仿真結(jié)果，查看每個(gè)元件的電流和耗散功率加以確定。

圖7 PSpice仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

借助PSpice仿真軟件，設(shè)計(jì)了一款常用的12～24 V升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路。整個(gè)電路調(diào)試容易，工作穩(wěn)定、可靠性高、成本低。另外，可根據(jù)具體的電路指標(biāo)要求，對(duì)電路進(jìn)行靈活控制、變動(dòng)，設(shè)計(jì)出其他的應(yīng)用電路。

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