单端反激式开关电源的设计及仿真研究

  1 引言

    由于开关电源既节能又带来巨大的经济效益，引起社会各界的重视而得到迅速推广。随着电源技术的飞速发展，高频化、小型化、集成化成为开关稳压电源的发展趋势。单端反激式开关电源不仅具有体积小、效率高、线路简洁、可靠性高的优点，而且有自动均衡各路输出负载的能力，所以常常被用于设计大功率高频开关电源的辅助电源或功率开关的驱动电源[1-2]。PSPICE软件是EDA领域最负盛名的公司ORCAD所开发的通用电路模拟仿真软件。

    与其他的仿真软件比较，PSPICE具有很多优点：增加了模型和元器件的种类，用户可以直接调用模型库中的元器件，也可以根据实际的需要修改模型的参数，或是建立自己的模型；运用PSPICE建立的模型比较精确，可以更好的模拟实际电路；由于利用PSPICE对电路进行分析不需要实际的元器件，因此，在仿真中不会受到元器件的数量和类型的影响；PSPICE的操作比较简单，实用性强，利用它用户可以对复杂的电路进行仿真，减少电路设计的周期和费用。PSPICE具有良好的人机界面和控制方式，通过波形分析窗口，用户可以方便观察输出波形的性质，对电路的设计有重要的指导意义。

    2 单端反激式开关电源的基本原理

    开关电源是将交流输入（单相或三相）电压变成所需的直流电压的装置。电路主要由输入电磁干扰滤波电路、输入整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路等组成。开关电源的基本原理如图1所示，控制电路是一个由输出电压反馈控制环和电感电流反馈控制环组成的双闭环控制系统。其中，电流环能使输入电流跟踪输入电压的变化接近正弦，电压环使电压稳定的输出。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压U1，通过功率开关管VT或MOSFET斩波、高频变压器T降压之后，输出所需的高频矩形波电压，最后经过由VD、C2组成的输出整流滤波电路，得到需要的高质量、高品质的直流电压UO输出。利用电流检测电阻将开关管的电流转化成电压反馈信号，然后再与电压控制环检测到的电压进行比较，产生PWM波，进而控制输出电压的大小。

图1 单端反激式开关电源的基本原理图

    3  单端反激式开关电源电路的设计

    本文对多功能单端反激式开关电源电路的设计，只集中在高频变压器和控制电路的设计。控制方法有：峰值电流控制模式，它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法，它不是用电压误差信号直接控制PWM脉宽，而是用峰值电感电流间接控制PWM脉宽；平均电流控制模式，也是一种恒频控制，它的优点是抗干扰性好，缺点是电路比较复杂，设计不合理时会产生振荡；滞环电流控制模式，它是一种变频调制，其优点是工作稳定性好，抗干扰性好，不易产生振荡，缺点是对电感电流要进行全面的检测和控制。比较以上三种控制方法，本设计采用峰值电流控制模式。多功能开关电源的性能指标为：

    输入直流电压：170V-700V；

    输入电压频率：100kHz；

    额定功率：70W；

    最大占空比：48%；

    操作温度：-10℃～70℃；

    输出电压电流：5V/1A，24V/2A，±15V/0.2A，15V×3/0.15A，15V/0.3A；

    电压调整率和负载调整率均小于3%，并且具有较高的效率。

 （6）计算气隙的长度

    式中：Ae为磁芯的有效面积，代入数值计算得到lg=0.06cm。即在磁芯中心柱打磨出长度为0.06cm的气隙，或在磁芯外侧磁芯柱各打磨0.03cm的气隙。

    （7）计算原边绕组的匝数

    原边绕组匝数的计算有两个计算公式：式（6）、式（7），通常取原边绕组的匝数为两个计算公式分别计算的原边绕组匝数的平均值。

    计算出原边绕组的匝数为52匝。

    （8）计算副边绕组的匝数

    副边绕组匝数按输入最小电压，导通的占空比最大进行计算。因为

    式中：Ns——副边绕组的匝数；UD——整流二极管的正向压降，取1V；Uo——副边绕组的输出电压。 
整理公式（8）可以得到：

    经计算得：

    输出电压为24V时，匝，取Ns=10匝；

    输出电压为15V时，匝，取Ns=6匝；

    输出电压为5V时，匝，取Ns=3匝。

    3.2电压反馈环的设计

    电压反馈电路有四种基本的类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路；配TL431的精密光耦反馈电路。四种基本反馈电路的分析比较如表1所示。

    表1 各种电压反馈电路的比较

  在本设计中，由于对电压调整率和负载调整率的要求较高，故采用配TL431的精密光耦反馈电路。配TL431的精密光耦反馈电路如图3所示。在配TL431的精密光耦反馈电路中，用TL431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，从而构成外部误差放大器，对输出电压进行调整。虽然该电路的电路比较复杂，但是该电路的稳压性能最佳。对于有多路输出的单片开关电源，除了把主输出作为主要的反馈信号外，其他各路辅助输出也按照一定的比例反馈到TL431的2.5V基准端，这对于提高多路输出式开关电源的整体稳定性具有重大的意义。

图3 配TL431的精密光耦的电压反馈电路

    3.3电流反馈环的设计

    电流环通过用电流检测电阻将开关管的电流转化成电压反馈信号，然后在与电压控制环检测到的电压进行比较，产生PWM波，控制输出的电压。对输入电压的变化和负载变化响应快，回路稳定性好，抗干扰性能强，电压调整率小等优点[5]。

图4 电流反馈电路

    4.仿真实验测试

    在以上的分析研究的基础上，建立了仿真模型，运用ORCAD/PSPICE对该开关电源的整体电路进行仿真实验的基础上，修正了电路中各种元器件的关键参数，使得电路的性能能够发挥到最佳。

    为了优化多功能开关电源的系统设计方案，减少开发过程的盲目性、复杂性，缩短开发周期，极低成本，本文对多功能开关电源的整体电路进行了仿真。运用ORCAD/PSPICE建立了多功能开关电源整体系统的仿真模型，然后对系统进行稳态、动态特性分析，寻求满足设计性能要求的元件参数[6-7]。整体电路的测试图如图5所示。

图5 整体电路的测试图

    在仿真的过程中往往会遇到收敛性的问题。收敛的问题以各种形式、规模以及假象出现，通常都与电路的拓扑结构、器件的建模、仿真器的设置等因素有关。快速解决收敛性问题的办法是：设置OPTION设置里的一些选项。