SIMetrix在“開關電源及其軟開關技術”教學中的應用

摘要：“開關電源及其軟開關技術”是一門綜合性、工程性和實用性很強的課程。針對課程教學中存在的主要問題，提出引入SIMetrix仿真工具，以基于UC3842的反激電路為仿真實例介紹仿真軟件的應用并給出仿真結果。通過分析可知，SIMetrix仿真特別適合于開關電源的驗證、分析、設計和開發，對該課程教學具有很好的應用價值。

關鍵詞：開關電源及其軟開關技術；SIMetrix仿真；UC3842；反激電路

作者簡介：張冬梅（1983-），女，廣東湛江人，華南理工大學廣州學院電氣工程學院，講師。（廣東 廣州 510800）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0080-02

為了完善專業的知識結構、配合學校培養應用型人才的辦學思路，華南理工大學廣州學院電氣工程學院為本科生開設了“開關電源及其軟開關技術”這門課程。該課程是“電力電子技術”的后續課程，系統地介紹了開關電源電路的結構組成、工作原理、設計方法和開發過程，其綜合性、工程性和實用性很強。目前，課程在教學中存在的主要問題：第一，雖然在課堂教學中使用了多媒體課件，但依然需要花費大量精力對電路工作原理及其波形進行描述和分析，學生僅憑聽講還是很難深入理解。第二，在本科生中開設該課程的高校較少，在市場上很難找到針對該課程的實驗裝置，學生學習的理論知識得不到很好的驗證。第三，開關電源的硬件開發是一項知識面要求寬、難度大又危險的復雜技術工作，受時間、空間、物質條件等因素限制，在這方面不能做過多要求，因此學生動手能力得不到真正的鍛煉。

為了彌補以上不足，本文提出在課程教學中引入SIMetrix仿真工具。借助該仿真軟件，學生更容易理解理論知識，還可以在課堂外對所學的知識加以驗證以及進行一些設計應用，從而激發學習的興趣并增強實踐能力。

一、SIMetrix仿真軟件介紹

SIMetrix/SIMPLIS是一款用于優化設計電力電子電路的高級仿真工具，是由美國Transim公司開發的軟件包，具有優秀的收斂性能和仿真速度，小信號分析方面獨具優勢，非常適合于開關電源產品的驗證、分析、設計和開發。其內部提供了兩種仿真模式——SIMetrix和SIMPLIS，其中SIMetrix包含了一個增強型SPICE仿真器、原理圖編輯器和波形顯示器，與其它通用仿真軟件相比，SIMetrix具有以下特點：[1，2]

特點一：包含豐富的器件模型。模型庫不僅包含了理想的電路元件，同時還提供了比較通用的、常見的半導體器件和各類應用廣泛的集成電路控制芯片，在此基礎上足以構建完整的開關電源系統。

特點二：先進的測量功能。波形可通過選擇檢測器然后點擊原理圖生成，或在原理圖上放入固定的檢測器生成，可在仿真后甚至仿真時查看波形，非常方便。

特點三：強大的波形處理功能。為波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多種函數，選擇這些函數可獲得計算結果并顯示在波形旁邊。

特點四：具有多種分析功能。包括瞬態分析、交流分析、直流分析、噪聲分析、傳輸函數分析等，每種分析功能下又提供多種掃描模式，如頻率掃描、器件掃描、參數掃描、模型參數掃描、溫度掃描、蒙特卡羅掃描等等。

此外，SIMetrix仿真軟件的仿真結果與實際非常接近，用戶圖形界面友好，仿真直觀，使用者容易掌握。

二、基于UC3842的反激電路仿真實例分析

反激變換器具有高可靠性、高效率、電路拓撲簡潔、輸入輸出電氣隔離、升/降壓范圍寬、易于多路輸出等優點，是小功率開關電源的理想電路拓撲。UC3842是SIMetrix仿真工具模型庫自帶的集成芯片，其外圍器件少、性能良好、價格低廉。綜上所述，以UC3842控制的反激電源為仿真實例，電路簡單且具有代表性，滿足初學者的基本學習要求，具體的仿真電路如圖1所示。

1.仿真電路原理

（1）主電路原理。交流輸入電壓經D1-D4組成的橋式整流及電解電容C1濾波后變成脈動直流電壓。該直流電壓由功率開關管Q1以很高的工作頻率通斷，將直流電變換成高頻脈沖施加在變壓器TX1的初級繞組上，然后由次級繞組輸出。當開關管Q1導通時，變壓器初級繞組有電流通過并且線性增加，施加在初級繞組上的電壓為上正下負，使次級繞組產生下正上負的感應電動勢，二極管D5承受反向偏壓截止，次級繞組電流為零，變壓器儲能，這時負載由電容C2放電提供能量。當開關管Q1關斷時，初級繞組的磁通量減小，為了維持電流不變而產生下正上負的感應電動勢，次級繞組變成上正下負，D5導通，存儲在變壓器中的能量給C2充電并向負載供電。輔助繞組工作過程與次級繞組相同，一方面經過D6整流、C3濾波后為UC3842供電，另一方面經D7整流、C4濾波后為其提供反饋信號。由于反激變換器不可以空載，所以輔助繞組接假負載 R3。最后，在次級繞組和輔助繞組對應輸出穩定的12V和15V直流電壓。

（2）控制電路原理。[3]交流輸入經過整流濾波得到直流電壓，通過電阻R1降壓后給電容C3充電，當Vp端電壓達到啟動電壓門檻值16V時，UC3842開始工作并提供驅動脈沖，由Vout端輸出推動開關管Q1工作。芯片啟動后，工作電壓由輔助繞組提供。同時，輔助繞組的輸出經過R8和R9分壓反饋到Vfb端。當電源電壓或負載變化引起輸出電壓變低時，Vfb端的反饋電壓減小，UC3842輸出的PWM波的占空比增加，開關管Q1的導通時間變長，輸出電壓升高；反之，當輸出電壓升高時，占空比減小，Q1的導通時間變短，輸出電壓降低，從而使輸出電壓保持恒定，實現穩壓。電阻R4用于電流檢測，將初級繞組的電流轉換為電壓信號送入UC3842的Sense端，形成電流反饋。當由于某種原因產生過流時，開關管Q1的漏極電流將大大增加，電阻R4兩端的電壓上升，Sense端的電壓也上升，當該端的電壓超過正常值達到1V時，Vout端無輸出，Q1截止，從而保護電路。Ref端和Osc端外接定時電阻R6和定時電容C6，確定工作頻率。Vfb端與Comp端之間接R7和C7補償電路，用于改善增益和頻率特性。R5和C5構成RC濾波電路，削弱電流檢測信號中的尖峰脈沖干擾，保證電源正常工作。

2.仿真電路參數設計

本仿真電路的主要技術指標：輸入電壓Vin：220（1±10%）VAC；輸出電壓Vo：12V，輸出電流Io：2.5A；輔助繞組的輸出電壓VF：15V，開關頻率fs：100kHz；效率η：80%。對應圖1的仿真電路，完成所有元件參數的計算和電路的設計。

（1）主電路設計和參數計算。根據文獻[4]和[5]，已知交流輸入電壓的范圍，可以計算出經過整流濾波電路輸出的直流電壓范圍是238V～342V，然后計算最大占空比為0.37，由此可得高頻變壓器的次級繞組和初級繞組的變比為0.09。又根據輔助繞組與次級繞組的電壓、變比的關系，可計算得輔助繞組與初級繞組的變比為0.11。由前面的計算值結合電源的功率、效率參數，分別得到初級繞組電流峰值為0.67A，電感值為1.3mH。開關管Q1工作于最大輸入電壓342V的同時還承受了高頻變壓器的反向電動勢，一般為135V，因此Q1的最大漏極電壓約500V，最大漏極電流由上可知為0.67A。由文獻[5]和[6]可計算，輸入整流橋二極管D1-D4的額定電壓應大于427V，額定電流有效值應大于0.76A，輸出整流二極管D5的最大反向峰值電壓為42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值電壓為53.5V。根據文獻[7]，輸入濾波電容C1的經驗值可用輸出功率值瓦特數乘以1uF計算，約等30uF。輸出濾波電容C2經計算應大于185uF，為了使濾波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分別取1uF、10uF。假負載 R3的功率按額定功率的5%來設計，其值為150Ω。

（2）控制電路設計和參數計算。[7，8]已知開關頻率100kHz，通過UC3842的工作頻率計算公式：f=1.72/（RT×CT），可選取定時電阻R6=15kΩ，并計算定時電容C6=1nF。電流檢測電阻R4=1/Ipk，其中Ipk為初級繞組電流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5Ω。反饋電路的分壓電阻R8和R9可通過公式VF×R8/（R8+R9）=2.5V確定，選取R8=20kΩ，R9=4kΩ。UC3842的啟動電流在lmA左右，考慮到啟動時間及R1上消耗的功率，實際設計中R1取30kΩ。R5和C5取典型值，分別為1kΩ、470pF。R7和C7的值以電源的閉環傳遞函數經過補償后，截止頻率位于工作頻率的1/5處并且相位裕量約60°為宜，在此分別取15kΩ、1nF。

3.仿真電路搭建步驟

根據以上計算結果，仿真模型的搭建過程及各種參數設置如下：

（1）點擊Place＼Passives，選擇理想變壓器（Ideal Transformers）和電路全部的電阻（Resistor[Box Shape]）、電容（Capacitor）。變壓器的初、次級繞組數分別選擇1和2，定義次級繞組、輔助繞組與初級繞組的比值分別為0.09和0.11，設置初級繞組的電感值為1.3mH，其他參數采用默認值。電阻、電容值可根據前面的計算結果設置。

（2）點擊Place＼From Model library，在NMOS中，為功率開關管Q1選擇高頻特性較好的MOS管IRF840，其電壓、電流定額為500V/8A。在Diode中，為輸入整流橋二極管D1-D4選擇快恢復二極管BY233-600，其電壓、電流定額為600V/10A；為輸出整流二極管D5選擇快恢復二極管mur110，其電壓、電流定額為100V/1A；為D6和D7選擇快速開關二極管D1N4148，其電壓、電流定額為75V/150mA。在PSU Controllers中，選擇UC3842。

（3）點擊Place＼Source，選擇多功能電源（Universal Source），設置波形為正弦波，頻率50Hz，峰峰值為622V，其他參數采用默認值。

（4）點擊Simulator＼Choose Analysis，選擇暫態分析（Transient）仿真模式，設置停止時間為20ms，其他參數采用默認值。

三、仿真結果分析

在額定交流輸入220V/50Hz、滿載的情況下，得到仿真波形如圖2所示。6個波形自上而下分別為PWM控制信號、初級繞組電壓、直流輸出電壓、開關管電壓、初級繞組電流和次級繞組電流。由波形可知，PWM控制信號的頻率約95kHz，占空比為0.32，初級繞組電壓范圍為-145V～297V，開關管承受最大電壓445V，直流輸出電壓12V，紋波電壓約25mV，初、次級繞組電流峰值分別為747mA和8.2A。另外從初、次級繞組電流的關系可知，電源工作在不連續模式。結果表明，本仿真電路參數設計合理，器件選擇滿足要求，仿真結果與理論基本一致。

四、結論

通過以上簡單的仿真實例分析可知，SIMetrix仿真開關電源方便、簡單、快捷且仿真模型和與電源實物非常接近。教師在課堂講授的過程中演示仿真，可使講解變得生動、形象、直觀。與實驗相比，仿真不受時間、空間、物質條件限制的同時也更安全，教師應鼓勵學生在課后使用，不僅加深對原理知識的掌握，鍛煉了實踐動手能力，還可以提高他們學習的興趣和積極性，培養創造能力。因此，SIMetrix仿真軟件對該課程教學具有很好的應用價值。

參考文獻：

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[8]胡國文，張立生，王銀杰.基于UC3842變頻器輔助電源的設計[J].現代儀器，2012，18（4）：43-46.

（責任編輯：王意琴）