基于Multisim的節能型恒流開關電源電路設計

林境澤

（廣東天銀實業有限公司，廣東 揭陽 522000）

基于Multisim的節能型恒流開關電源電路設計

林境澤

（廣東天銀實業有限公司，廣東 揭陽 522000）

通過對恒流開關電源的系統框圖分析，闡述了恒流輸出原理和實現方法；應用Multisim電路仿真軟件對電路進行仿真測試，結果表明：恒流開關電源的輸出電壓、輸出電流和輸出功率等各項指標均達到設計要求，電源的工作效率達到81.1%，節能效果好。

節能型；恒流；開關電源

Abstract:On the analysis of the system block diagram of constant current switching power supply, this paper expounds the principle of constant current output and the implementation method; Using Multisim circuit simulation software to simulate the circuit testing, the results show that all the indexes of the constant current switch power supply meet the design requirements ,such as output voltage and output current and output power, which the power efficiency is 81.1% with good energy-saving effect.

Keywords: Energy saving; Constant current; Switching power supply

CLC NO.: TP17 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-07-03

前言

開關穩壓電源簡稱開關電源(Switching Power Supply)，因電源中起調整穩壓控制功能的器件始終以開關方式工作而得名。它是利用現代電力電子技術，通過控制開關管通斷的時間比率來維持輸出電壓穩定的一種電源，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴容等優良特性[1]。開關電源因其高效節能引起社會各方面的重視，現已成為通用開關電源、專用開關電源及特種開關電源優選集成電路，廣泛應用在諸如計算機、彩色電視機、程控交換機、攝像機、VCD、電子游戲機等電子設備上。本文通過對恒流型開關電源的整體電路原理分析，應用Multisim仿真軟件進行功能仿真驗證，設計出一款節能型單端正激開關穩壓恒流電源[2-4]。

1 恒流開關電源原理分析

1.1 恒流開關電源系統框圖

圖1給出了恒流開關電源的系統框圖，由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續流與濾波電路、穩壓恒流電路、保護電路、反饋電路、控制電路以及功率開關組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開關電源設計關鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲能、變流或者是變阻等作用的。而輸出整流續流與濾波電路是通過整流續流功能得到輸出所需要直流電流，通過濾波器把多余雜波給濾掉。穩壓恒流輸出電路目的是為負載提供一個恒流電流。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準電流電壓值相比較，起到反饋傳遞作用。控制器是通過反饋電路的信息在調整電路電流電壓的輸出的，輸出電流盡可能達到一個穩定值。而功率開關管是由控制器PWM控制它的導通時間，調節脈沖寬度從而也實現占空比大小調節的。整體電路是將頻率為50Hz、220V交流電壓經過主電路輸入整流與濾波、變壓器、整流、續流與濾波、穩壓電路恒流流電路轉換成穩定的直流電壓，輸出恒定直流電流。

圖1 恒流開關電源的系統框圖

1.2 恒流輸出原理分析

任何電源要實現恒流功能，均需對電源的輸出電流進行檢測取樣，與電流設置值即參考值進行比較，經負反饋放大調節（P、PI、PID）。線性串聯穩壓是調節調整管的壓降，而開關電源是調節變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定。

圖2給出了恒流控制反饋系統圖，Iref是電流設置基準；CR是電流PI調節；Kfi是電流取樣反饋系數；RS、Ro是電流取樣電阻和負載電阻。該系統采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當地選取反饋系數Kfi，通過P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實現恒流控制。在反饋系數不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實現恒流值控制。

圖2 恒流控制反饋系統圖

圖3 恒流輸出電路

恒流輸出電路是采用集成穩壓器構成的開關恒流源電路構成如圖3所示。MC7815為三端固定式集成穩壓器，RL為LED二極管負載電阻，RW為可調電阻器。

固定式集成穩壓器工作在正常狀態，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調節RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：

式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當RW較小即輸出電流較大時，可以忽略Iq。當電路中電壓或者是負載發生變化時，MC7815用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變的。

設RW=1~15Ω時，那么它輸出恒定電流變化范圍：

可以實現10A恒流輸出的。

2 恒流開關電源電路仿真

2.1 仿真原理圖

現在計算機仿真技術的高效、高精度、高經濟和高可靠性，倍受人們的重視。應用仿真技術可以減少設計費用和設計時間，并改進電力電子電路的可靠性。Multisim仿真軟件是一項功能強大的電路仿真軟件，可以完成電路的瞬態分析和穩態分析、時域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強大功能，幫助設計人員分析電路的合理性。圖4給出了單端正激開關穩壓恒流電源仿真原理圖，輸出電壓反饋形成單閉環控制的[5]。

圖4 電路仿真原理

2.2 仿真測試

仿真電路輸入交流電為220V，如圖5(a)所示啟動仿真分析，通過虛擬仿真儀器，可得到恒流開關電源的各項測試指標。圖5(b)、5(c)分給出了功率開關管出發脈沖波形和輸出穩壓波形，表1、表2列出了變壓器整流后二次直流電壓和恒流輸出電流大小，表3、表4分別列出了開關電源的輸入功率和輸出功率。

圖5 仿真波形

表1 整流后二次直流電壓

表2 開關電源的輸出電流

表3 開關電源的輸出功率

表4 開關電源的輸出功率

故恒流開關電源的工作效率為：

通過對整體電路的功能和典型性能參數進行了仿真驗證，本文設計的恒流型開關電源能達到穩定的輸出電流，仿真結果達到預定指標，開關電源工作達到 81.1%，遠高于線性電源，具有很好的節能效果。

3 結束語

開關電源因其高效節能，現通用開關電源、專用開關電源及特種開關電源均優選集成電路，以后開關電源將向更小體積、更少電磁污染、具有可靠的過電壓及過電流保護方向發展發展，特別是在驅動LED恒流開關電源、DSP數字化開關電源方面，具有很大研究價值。

[1] 張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計[M]. 北京:電子工業出版社,2004.

[2] 司明. 一種開關電源PWM控制電路設計[D]. 遼寧大學碩士論文,2013.

[3] 朱劍. LED 恒流驅動開關電源的研究與設計[D]. 浙江理工大學碩士論文, 2015.

[4] 劉夢坷,唐海洋. 單端反激式開關電源的設計[J]. 電子設計工程,2017(1):175-178.

[5] 李葳, 殳國華. 基于MULTISIM的反激式開關電源的仿真[J]. 電氣自動化, 2010(3): 26-28,45.

Circuit Design of Energy-saving Switching Power Supply with Constant Current Based on Multisim

Lin Jingze
（Guangdong tianyin industrial co. LTD, Guangdong Jieyang 522000 )

TP17 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-07-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.003

林境澤（1990-），男，助理工程師，主要從事電氣自動化技術工作。