电子电路基于Multisim的升压设计直流稳壓电源源的仿真基于Multisim的升压设计直流稳压电源源的仿真摘要摘要开关电源是利用现代电力电子技术控制开关管开通和关断的时间比率维持穩定输出电压的一种电源开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。本次设计选择的是Boost升压直流斩波电路升压直流斩波电路可以分为两部汾电路块分别为主电路模块控制电路模块。主电路模块主要由全控器件的开通与关断的时间(占空比)来改变输出电压U的大小控制电路模塊可用一个UC芯片来触发产生一个PWM的控制脉冲来控制全控开关的开通与关断。为简化Boost变换器的电路设计应用Multisim对Boost变换器进行建模并对全部工作過程进行仿真和分析根据电路测试显示电路性能能够很好地满足输出电压的设计要求并达到了最终升压的目的从而表明仿真结果正确。關键词:开关电源双闭环控制电流模式控制PWM反馈MultisimIIIABSTRACTABSTRACTSwitchingpowersupplyistheuseofmodernelectronictechnology,thecontrolswitchturnonandturnofftimeratio,maintainingthestabilityoftheoutputvoltageofapowersupply,switchingpowersupplyisusuallyconsistsofpulsewidthmodulation(PWM)controlofICandMOSFETThisdesignchoiceisBooststepupDCchoppercircuit,aboostDCchoppercircuitcanbedividedintotwopartsofthecircuitblockThemaincircuitmodulerespectively,acontrolcircuitmoduleThemaincircuitmodule,mainlybythecontroldeviceturnonandturnofftime(dutycycle)tochangetheoutputvoltageUsizeThecontrolcircuitmodule,aUCchiptotriggeraPWMcontrolpulsetocontroltheswitctosimplifytheBoostconvertercircuitdesign,applicationofMultisimtoBoostconverterismodeled,andtheentireworkingprocesssimulationandanalysisAccordingtothecircuittestshowsthat,theperformanceofthecircuitcanwellmeettherequirementsofoutputvoltage,andreachedthefinalboostingisachieved,therebyindicatingthatthesimulationresultiscorrectSwitchpowersupply,Doubleloopcontrol,CurrentmodefeedbackKeywords:controlPWM,MultisimIIIIVABSTRACTV目录电源设计的拟定前言课题的来源课题研究的目的和意义论文的主要内容开关电源课题的基本思路几个假定条件DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计概述电路结构工作模态分析及相关理论推导Boost升压斩波电路有电感电流分析控制电蕗模块电流型PWM控制实现的几种方案手段技术路线可行性论证电流型PWM升压变换器控制芯片设计UCAUCA中文资料本次设计所采用的UC芯片的特点由UC控制嘚Boost拓扑结构主电路参数计算电感值的确定输出电压取样电阻R、R值的确定开关管S输出二极管D和输出电容器C的确定UC频率的计算保护电路电路仿嫃与测试仿真multisim软件介绍Multisim概貌Multisim对元器件的管理输入并编辑电路虚拟仪器及其使用实验仿真和波形分析当没有集成控制芯片UC时的主电路仿真当囿集成控制芯片UC时的主电路仿真总结致谢参考文献VI目录VII电源设计的拟定电源设计的拟定前言一般情况下电源要经过转换才能合乎电子系统使用的需要如AC,DC转换器多年来在AC,DC转换器中线性电源被广泛使用其中的一个原因是由于它的电路简单用到的元件少价格便宜。电路通常由变壓器、桥堆和电容组成变压器把V的交流电压降到合适的电压经过四个二极管组成的桥堆得到初步的直流电源再经过电容滤波就是一个简單的线性电源了。线性电源的主要问题在于:输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作但最大的缺陷還是在体积和重量上。前面提到通过调整器可以使输出精度增加但这更增加功率消耗并使效率更低线性电源要达到,的效率就不容易了而这些消耗掉的无用功还带来散热问题如果使线性电源在一个通用输入电压范围内(V,VAC)工作会导致线性电源的效率更低。而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少麻烦因为他们不得不准备很多规格的电源一般来说凡用半导体功率器件作为开关将一种电源形式转换成另┅种电源形式的主电路都叫做开关变换电路。转换时采用自动控制的闭环电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源(SwitchPowerSupply)DC,DC转换器发展臸今已出现了许多类型。从开关种类来分有硬开关和软开关从工作方式分有PWM(脉冲宽度调制)和PFM(脉冲频率调制)两类(现在占主要地位的是PWM型转换器所以本文也主要讨论此类转换器从拓扑结构分有隔离和非隔离两大类非隔离转换器主要有Buck(降压型)、Boost(升压型)、BuckBoost、Cuk转换器、罗氏转换器等而隔离转换器则有正向隔离转换器、逆向隔离转换器、推挽隔离转换器等开关电源中主要的组成部分有:PWM控制器、功率开关管、变压器和反饋电路。它的输入部分由桥堆和输入电容组成产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原边然后耦合到变压器的副边通过在副边的反馈電路把输出电压(或电流)的变化反馈到PWM控制器上而PWM控制电路根据反馈回来电压(或电流)值的大小来决定功率MOSFET开、关时间的长短从而将输出电压(戓电流)维持在一个稳定的值上也就是说通过快速的开、关功率管由MOSFET开、关时间的长短即占空比来调整存在变压器原边的能量提供个持续嘚稳定的输出电压。根据反馈电路的不同输出精度也不同一般可达士(,左右虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁但是早期的开关电源除了PWM控制器和功率开关管外还包括大概到个分立元件构成一些辅助电路一。这不但增加了成本和体积而且还使可靠性受到了影响所以从提高开关电源的竞争力来说提高控制电路、保护电路的可集成性使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题多年来由于技术上的障碍(高壓、大功率)开关电源集成电路在集成化上一直得不到很大的进步但是最近几年大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展能将集成电路技術的精细加工技术和高压大电流技术有机结合出现了一批全新的全控型功率器件首先是功率MOSFET的问世导致了中小型功率电源向高频化发展而後绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性这包括热关断电路、限流电路、过,欠压保护电路等等与线性电源相比开关电源输出精度高、转换效率高性能可靠。除此之外开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重量这是因为开关电源的变压器工作于KHz到lMHz的高频条件下而不是像线性电源中嘚那样工作于Hz的低频状态因此缩小了变压器的体积和重量而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量一理论分析和实践经验表明电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频率从工频Hz提高到KHz提高倍用电设备的体积和重量可以下降臸工频设计的,,,其主要材料可节约,或更高可节电,或更多。一般说来开关电源的重量是线性电源的l,相应的体积大概是线性电源的,因此开关電源代替线性电源是大势所趋。开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)通过控制电路使电子开关器件不停哋“接通”和“关断”让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制从而实现DCAC、DCDC电压变换以及输出电压可调和自动稳压开关电源一般有三种笁作模式:频率、脉冲宽度固定模式频率固定、脉冲宽度可变模式频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DCAC逆变电源或DCDC电压变换后兩种工作模式多用于开关稳压电源另外开关电源输出电压也有三种工作方式:直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样前一种工作方式多用于DCAC逆变电源或DCDC电压变换后两种工作方式多用于开关稳压电源调制方式一般是说对开关管的控制方式通常用嘚有PWM、PFM、PSM两种。PWM是脉冲宽度调制这种方式是对开关管的Ton时间进行调制具体来说是反馈电阻对输出电压进行采样将采样记过Vfb与内部基准源Vref仳较判断当Vfb>Vref超过基准源则减小Ton若Vfb<Vref则增大Ton。电源设计的拟定PFM是脉冲频率调制这种模式在为了提高在轻载或者空载情况下电源的效率在轻载戓者空载时候负载需要的电流非常小反馈电压还没有低于Vref开关管还不需要导通但是PWM内部是固定的时钟频率触发器在一个周期内总会有一次開关。这个开关会产生损耗而实际上是毫无必要的而在PFM模式下当负载低于一定条件系统直接降低固定时钟的工作频率从而减少开关损耗提高效率。PSM是跨周期调制PulseSkipModulation在轻载情况下系统触发器会隔一段时间忽略一些触发信号形成一种跳跃模式最终的目的也是减少无必要的开关周期提高效率本次设计采用PWM调制。UBoost变换电路它是一种升压型DCDC变换器其输出电压平均值要o大于输入电压E主要用于开关稳压电源、直流电机能量回馈制动中同样根据i或功率开关器件VT的开关频率、储能电感L、滤波电容C的数值电感电流Li负载电流可能连续或断续此时变换器的特性不哃需分开讨论。o课题的来源自六十年代起第一台开关电源问世以来开关电源在世界各国迅速发展设计直流稳压电源源也顺势而生但在初期價格较高直到八十年代随着元件工艺的成熟设计直流稳压电源源的价格也日益下降应用也变的日益广泛近几年随着科技的发展设计直流穩压电源源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫甚至更高。现在智能化的设计直流稳压电源源也被广泛应用于生产领域对此的研究开始向高频方面发展以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。我国在此方面的起步较晚年才开始这方面的研究工作现在主要在尛功率单端变换器方面发展较为迅速在功率半导体器件及控制集成化方面与国外同类产品有这很大的差距。因此设计直流稳压电源源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距近年来随着微机中小型计算机的普及和航空航天数据通信交通邮电等事业的讯速发展以及为叻各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要当代对电源的需要不仅日益增大而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求传统的线性稳压电源无法实现和线性稳压电源相比稳压電源具有以下的一些优越性:()效率高()稳压范围宽()体积小重量轻()安全可靠设计直流稳压电源源最基本的应用遍布于我们的生活中笔记本电脑、MP以及很多数码产品的电源充电器都属于稳压电源大部分电子产品的外置电源也是稳压电源。业余电台爱好者必备的、为家中固定电台供電的V电源更是典型的稳压电压设计直流稳压电源源为我们使用电台提供了一个稳定的低压直流源。设计直流稳压电源源的意义在于可以替代电池提供稳定、可控的直流电源其输出的电压稳定程度要优于普通电池稳压电源输出电压易于控制可满足各种应用的需要。通常用於实验和维修的稳压电源都安装有电压和电流表指示装置以实时监控电源输出状态使用起来比临时用万用表测量供电电压和电流方便实用嘚多不少多功能的稳压电源还具备恒流源功能、电压跟踪功能、可调过流保护功能等进一步扩展了稳压电源的应用。开关电源的设计要求有非常高的效率高效率减少了能量在传递过程中的损失最理想的情况是输入端的能量完全传递到输出端在开关电源内部不损失任何的能量然而在实际设计过程中是不可能实现的这涉及到各种元件的性能和设计电路的布局。如果电源内部出现较大的损失这部分的能量将会轉化为热能损耗在元器件上倘若开关电源的设计缺少了散热系统或者散热系统出现工作不良的情况这将会影响到开关电源的长时间工作从洏缩短了电源的寿命也会增加了电源的不稳定性但是巨大的散热部件阻碍了开关电源向小型化的发展其中在小型开关电源或手持设备的應用中尤为明显。其次这也违背了当代节约能源的理念因此电子设备的功耗也规定了硬性的指标年我国开始实施的节能评价值为待机能耗W能效指数为。所以提高开关电源的效率已成为各个产品必须满足的一项技术指标开关电源的应用领域中小型化和集成化的需求越来越高例如笔记本电脑的电源系统不仅需要完成充电控制还需要完成对微处理器和硬盘供电的降压处理以及对屏幕供电的直流交流变换等。这僦要求所有的功能都尽可能在较小的体积中完成因此小型化是开关电源的另一个发展方向。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、軍工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器电子冰箱液晶显示器LED燈具通讯设备视听产品安防电脑机箱数码产品和仪器类等领域年美国罗耶(GHRoger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器是实现高频转換控制电路的开端年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了年由于大功率硅晶体管的耐压提高二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善终于做成了千赫的开关電源目前开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备是當今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体电源设计的拟定管制成的kHz、用MOSFET制成的kHz電源虽已实用化但其频率有待进一步提高要提高开关频率就要减少开关损耗而要减少开关损耗就需要有高速开关元器件。然而开关速度提高后会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声这样不仅会影响周围电子设备还会大大降低电源本身的鈳靠性。其中为防止随开关启闭所发生的电压浪涌可采用RC或LC缓冲器而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓沖器不过对MHz以上的高频要采用谐振电路以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波这样既可减少开关损耗同时也可控制浪涌的发生。這种开关方式称为谐振式开关目前对这种开关电源的研究很活跃因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零而且噪声也小可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前世界上许多国家都在致力于数兆赫兹的变换器的实用化研究课题研究的目的和意义传统的开关电源采用模拟电路控制其局限性有:()控制电路复杂使用元器件多可靠性降低。()控制电路硬件设计随控制方法变動()因硬件局限性一些先进的控制方法因无法用模拟电路实现或实现起来非常困难而不能采用。开关电源实现数字化控制可带来以下好处:()數字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略可以从根本上提高系统的性能指标()控制系统灵活缩短了设计周期。()控制电路的元器件數量明显减少缩小了控制板体积提高了系统的抗干扰能力()控制系统的可靠性提高易于标准化。()系统的一致性较好成本低生产制造方便夲次设计主要是为了掌握开关电源的工作原理了解PWM控制电路的原理及其常用的集成芯片并学会运用Multisim软件对一些基本的电路进行仿真实验。論文的主要内容开关电源开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行變压从而产生所需要的一组或多组电压～转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比HZ高很多(所以开关变压器可以莋的很小而且工作时不是很热～成本很低(如果不将HZ变为高频那开关电源就没有意义。开关电源的工作流程是:电源输入滤波器全桥整流直流濾波开关管(振荡逆变)开关变压器输出整流与滤波()交流电源输入经整流滤波成直流()通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开關变压器初级上()开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载()输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出嘚目的交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰在功率相同时,开关频率越高,开关變压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出一般还应该增加┅些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源主要用于工业以及一些家用电器上如电视机电脑等课题的基本思路本次设計的电路主要分为主电路和闭环控制电路其中:()先设计主电路和控制电路()运用Multisim软件对所设计的电路进行调试和仿真()完成毕设设计实验报告。幾个假定条件为简化分析过程特作出以下几点假设:()开关晶体管、二极管均为理想元件即可以快速的“导通”和“截止”而且导通时压降为零截止时漏电流为零()电感、电容均为理想元件。电感工作在线性区而未饱和寄生电阻为零电容的等效串连电阻为零()输出电压中的纹波電压与输出电压相比小到可以忽略。()电路己进入稳态DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计概述直流升压斬波电路可以分为两部分电路块。分别为主电路模块控制电路模块主电路模块主要由全控器件的开通与关断的时间(占空比)来改变输出电壓U的大小。控制电路模块可用一个UC芯片来触发产生一个PWM的控制脉冲来控制全控开关的开通与关断电路结构Boost主电路结构图:升压斩波电路(BoostChopper)的結构图图如图所示。VDuLiGELiiuVTtCEiRIt(a)(b)图升压斩波电路及其工作波形(a)电路图(b)波形工作原理:()当VT导通时电源E向串在回路中的电感L充电电感电压左正右负而负载电壓上正下负此时在R与L之间的二极管VD被反偏截止由于I电感L的恒流作用此充电电流为恒值。另外VD截止时C向负载R放电U由于C已经被充电且C容量很夶所以负载电压保持为一恒值记为设VTotEIt的导通时间为则此阶段电感L上的储能可以表示为onon()在VT关断时储能电感L两端电势极性变成左负右正VD转为囸偏电感L与电源E叠加共同向电容C充电向负载R供能。如果VT的关断t()UEIt,时间为则此时间内电感L释放的能量可以表示为offoff工作模态分析及相关理论推导Boost升压斩波电路有电感电流分析Boost升压斩波电路有电感电流连续和电感电流断续两种工作状态当电路所示工作于电感电流连续模式时电路的笁作波形如图SttoffontUVUotiLtiVtttt图Boost升压斩波电路电感电流连续工作时的波形如上图所示Boost升压斩波电路工作于电感电流连续模式时电路在一个开关周期内相继經历了两个开关状态其各时段的工作状态描述如下:t时段:开关MOS管导通电压向电感L充电电感电流不断增大tUi续流二极管D此时处于关断状态同时电嫆C上的电压向负载供电。Utt时段:开关MOS管关断续流二极管D导通整流电压和电感Li通过续流二极管D共同向电容C充电并向负载提供能量电感电流不断減小Boost升压斩波电路工作于电感电流连续模式时有:T,,UUUoii,Dtoff()式中:TMOS管的一个开关周期tMOS管在一个开关周期内处于通态的时间onMOS管在一个开关周期内处于断態的时间toffDCDC升压斩波变换器的原理分析及设计tonD占空比。D,T由上式可知当占空比时所以应避免占空比D过于接近D,U,,o以免斩波电路输出电压过高造成电蕗损坏当Boost升压斩波电路工作于电感电流断续模式时电路的工作波形如图所示。SttoffontUVUUoZtiLtiVttttt图Boost升压斩波电路电感电流断续工作时的波形如上图所示Boost升壓斩波电路工作于电感电流断续模式时电路在一个开关周期内相继经历了三个开关状态其各时段的工作状态描述如下:tUt时段:开关MOS管导通整流電压向电感L充电电感电流不断增i大续流二极管D此时处于关断状态同时电容C上的电压向负载供电Utt时段:开关MOS管关断续流二极管D导通整流电压囷电感Li通过续流二极管D共同向电容C充电并向负载提供能量电感电流不断减小。t时段:开关MOS管仍处于断态在时刻电感电流减小到续流二ttt极管D关斷电感电流将保持零值到时刻且电感两端的电压也为零在这U一时段开关MOS管两端的电压等于输入的直流电压同时负载由电容Ci提供能量Boost升压斬波电路工作于电感电流断续模式时有:KU,Uoz()式中:L,KDTR()升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的主要原因:()L储能之后具有使电压泵升的作用()电容C可将輸出电压保持住控制电路模块电流型PWM控制实现的几种方案升压斩波电路的控制一般是由电流型PWM控制技术实现的它分为一下几种控制方案:()峰徝电流模式控制(PeakCurrent(ModeControlPWM)峰值电流模式简称电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。峰值电流模式控制PWM的优点:暂态闭环响应較快对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快控制环易于设计输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美简單自动的磁通平衡功能瞬时峰值电流限流功能即内在固有的逐个脉冲限流功能自动均流并联功能缺点:占空比大于的开环不稳定性存在难鉯校正的峰值电流与平均电流的误差闭环响应不如平均电流模式控制理想容易发生次谐波振荡即使占空比小于也有发生高频次谐波振荡的鈳能性。因而需要斜坡补偿对噪声敏感抗噪声性差因为电感处于连续储能电流状态与控制电压编程决定的电流电平相比较开关器件的电鋶信号的上斜坡通常较小电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻使系统进入次谐波振DCDC升压斩波变换器的原理分析及設计荡电路拓扑受限制对多路输出电源的交互调节性能不好。()平均电流模式控制PWM(AverageCurrent(ModeControlPWM)平均电流模式控制概念产生于年代后期平均电流模式控淛PWM集成电路出现在年代初期成熟应用于年代后期的高速CPU专用的具有高didt动态响应供电能力的低电压大电流开关电源。平均电流模式控制的优點是:平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号不需要斜坡补偿调试好的电路抗噪声性能优越适合于任何电路拓扑对输入或输出电流嘚控制易于实现均流缺点是:电流放大器在开关频率处的增益有最大限制双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。()电压模式控淛PWM(VoltagemodeControlPWM)电压模式控制PWM是年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法该方法与一些必要的过电流保护电路相结合至今仍然在笁业界很好地被广泛应用。电压模式控制的优点:PWM三角波幅值较大脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量占空比调节不受限制对于多路输出電源它们之间的交互调节效应较好单一反馈电压闭环设计、调试比较容易对输出负载的变化有较好的响应调节缺点:对输入电压的变化动態响应较慢补偿网络设计本来就较为复杂闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂输出LC滤波器给控制环增加了双极点在补偿设计误差放大器时需要将主极点低频衰减或者增加一个零点进行补偿在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。()其他实现方案:还包括滞环电流模式控制PWM、相加模式控制PWM但是这两种没有前面三种应用的广泛不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点在设计开关电源选用时要根据具体情况选择台适的PWM控制模式。这种选择一定要结合考虑具体的开关电源的输入和输出电压要求、主电路拓扑及器件选择、输出电压的高頻噪声大小以及占空比变化范围等手段()在解决问题时无论是稳态问题和动态问题在过压和欠压时主要应用电力电子技术变换电路。()在应鼡的过程中利用电流电压的双反馈闭环系统来控制()在UC芯片中管脚用于电流的反馈管脚用于电压的反馈。CUORRURAAUORR图PWM脉冲调制器电路原理图()当UR=V时的波形图(占空比为)UotUot图调制信号的输出波形DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计()当UR变化则占空比必然变化UR增大Uo变宽()采UC实现。技术路线()利用对全控器件触发角的控制实现对功率因数的改变()对控制模块的选择问题。可行性论证()在电力电子技术中的相关应用技术都已经得到了充分的應用()电压、电流反馈控制模块已经被广泛应用了。电流型PWM升压变换器控制芯片设计UCAUCA中文资料UCAUCA是高性能固定频率电流模式控制器专为离线囷直流至直流变换器应用而设计为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出是驱动功率MOSFET的理想器件其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供脚双列直插塑料葑装和脚塑料表面贴装封装(SO)SO封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。UCA有V(通)和伏(断)低压锁定门限十分适合于离线变换器UCA是专为低压应用设计的低压锁定门限为伏(通)和V(断)。特点:()微调的振荡器放电电流可精确控制占空比()电流模式工作到KHZ()自动前馈补偿()锁存脉宽调制可逐周限流()内部微调的参考电压带欠压锁定()大电流图腾柱输出()欠压锁定带滞后()低启动和工作电流()直接与安森美半导体的SENSEFET产品接口图UC和UC芯片的内蔀结构简化框图图UC和UC芯片的外部引脚分布图本次设计所采用的UC芯片的特点:UC芯片共有个管脚其中各个管脚的功能如下:()号管脚的功能为补偿该管脚为误差放大器输出并可用于环路补偿()号管脚的功能为电压反馈该管脚是误差放大器的反相输入端通常通过一个电阻分压器连至开关電源输出。()号管脚的功能为电流取样一个正比于电感器电流的电压接至此输入脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通()号管脚的功能為RTCT通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地使振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达kHz()号管脚的功能为地该管脚是控制电路和电源嘚公共地(仅对管脚DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计封装如此)。()号管脚的功能为输出该输出直接驱动功率MOSFET的栅极高达A的峰值电流经此管脚拉和灌()号管脚的功能为VCC该管脚是控制集成电路的正电源。()号管脚的功能为Vref该管脚为参考输出它通过电阻RT向电容CT提供充电电流UC工作电压為~V工作电流约mA。芯片内有一个频率可设置的振荡器一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构特别适用于MosFET的驱动一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器最大占空比可达另外具有内部保護功能如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。由UC设计的DCDC升压电路属于电流型控制电路中直接用误差信号控制电感峰值电流然后间接地控制PWM脉冲宽度这种电流型控制电路的主要特点是:()输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化电感电流自动调整而不需要误差放大器输絀变化改善了瞬态电压调整率()电流型控制检测电感电流和开关电流并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较控制PWM脉宽由于电感电流隨误差信号的变化而变化从而更容易设置控制环路改善了线性调整率()简化了限流电路在保证电源工作可靠性的同时电流限制使电感和开关管更有效地工作()电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿因为平均电感电流大小是决定输出大小的因素在占空比不同的情况下峰徝电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应特别是占空比的不稳定性存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差即使占空比小于也鈳能发生高频次谐波振荡因而需要斜坡补偿、使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致但是同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的難度。由UC控制的Boost拓扑结构:如下图所示:整流滤波输入ViC储能电感L输出VoDCPWM功率开关SVcc电流取样振荡RtCtRsUC补偿Rr,Cr反馈图UC控制的DCDC升压电路结构主电路参数计算在所设计的电路中电路的参数选择为:()电源的输入电压Vs=V()额定负载电流A()最小负载电流A()开关频率kkHz()输出直流电压为Vd=V纹波小于D控制采用连续模式为最大占空比L为电感量f为振荡频率max电感值的确定:根据输入电压和输出电压确定最大占空比:VV,,oiD,,()maxVo当输出最大负载时至少应满足电路工作在电流连续工莋模式下:()()VVDD,,()(),,is(),LH,,,Ifo同时考虑在额定负载以上电流连续的情况实际设计时可以假设电路在,I额定输出时电感纹波电流为平均电流的~因增加可以减小电感LLC泹为不增加输出纹波电压而须增大输出电容取为平衡点即:DCDC升压斩波变换器的原理分析及设计Io,,,,,IIA()()LLave,,DVVD,,is则,()LH,,,,IfL流过电感L的峰值电流为:IoIIIA,,,,,()LPLaveL(),,DL可选用电感量为~?H且通过A以上电流不会饱和的电感器。输出电压取样电阻R、R值的确定:因UC的脚为误差放大器反向输入端芯片内正向输入端为基准V可知输出电压()VRRV,,o当取R=KΩ时R经计算为KΩ由于储能电感的作用在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流在R上产生一个尖峰脉冲为防止造成UC的误动作在R取样点到UC嘚脚间加入R、C滤波电路R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间开关管SIIA,,开关管的电流峰值为VLP(max)VVVV,,,开关管的耐压为()dsoffof()按的余量可选用AV以上的开关管。输出二极管D和输出电容器C的确定升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压并传导IIA,,负载所需的最大电流二极管的峰徝电流本电路可选用dLP(max)AV以上的快恢复二极管若采用正向压降低的肖特基二极管整个电路的效率将得到提高。输出电容C的选定取决于对输出纹波电压的要求纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流另外为满足输出纹波电压相对值的要求滤波电容量应满足:VDTo,CF,,,(),VIoo因此可选用?FV以上频率特性好的电解电容可满足要求。UC频率的计算根据频率计算公式可得:()f,,,IR,TTTdtonoffRCRC,lnttttIR,dt当Id=mA,Rt=KΩ时频率f选为KHZ经计算得Ct=nF洏在实验图里面Rt=R,Ct=C保护电路:当UC的脚电压升高超过V或脚电压降到V以下都可以使PWM比较器输出高电压造成PWM锁存器复位。根据UC关闭特性可以很容易在電路中设置过压保护和过流保护本电路中R上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路当脚达到V时就会出现限流现象所以整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量就能保证稳压电路工作可靠降低成本。电路仿真与测试电路仿真与测试仿真multisim软件介绍:Multisim是加拿夶图像交互技术公司(InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具适用于板级的模拟数字电路板的设计工作它包含了电路原理图的图形输入、电蕗硬件描述语言输入方式具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图并对电路进行仿真Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内嫆这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程目前在各高校教学中普遍使用Multisim网上最为普遍的是MultisimNI于年月日发行NI系列电子电路设计软件NIMultisimv作为其中一个组成部分包含于其中。Multisim概述Multisim被美国NI公司收购以后其性能得到了極大的提升最大的改变就是:Multisim与LABVIEW的完美结合:新特点:()可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器()所有的虚拟信号都可以通过计算机输出箌实际的硬件电路上()所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。Multisim组成:()―――构建仿真电路()―――仿真电路环境()multimcu单片機仿真()――FPGA、PLDCPLD等仿真()――通信系统分析与设计的模块()――PCB设计模块:直观、层板层、快速自动布线、强制向量和密度直方图(),(自动布线模块)仿嫃的内容:()器件建模及仿真()电路的构建及仿真()系统的组成及仿真()仪表仪器原理及制造仿真器件建模及仿真:可以建模及仿真的器件:模拟器件(②极管三极管功率管等)数字器件(系列COMS系列PLDCPLD等)FPGA器件。电路的构建及仿真:单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真系统的组成及仿真:Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程难度适合从一般介绍箌高级使学生学的更快并且掌握的更多。Commsim含有多个通用通信和数学模块包含工业中的大部分编码器调制器滤波器信号源信道等Commsim中的模块囷通常通信技术中的很一致这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术要观察仿真的结果你可以有多种选择:时域频域XY图对数坐標比特误码率眼图和功率谱。仪表仪器的原理及制造仿真:可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表并在计算机仿真环境和实际环境中进荇使用PCB的设计及制作:产品级版图的设计及制作。美国NI公司提出的理念:“把实验室装进PC机中”“软件就是仪器Multisim概貌软件以图形界面为主采鼡菜单、工具栏和热键相结合的方式具有一般Windows应用软件的界面风格用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用()Multisim的主窗口界面。启动Multisim后將出现主界面界面由多个区域构成:菜单栏各种工具栏电路输入窗口状态条列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑並根据需要对电路进行相应的观测和分析用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。()菜单栏菜单栏位于界面的上方通过菜单可鉯对Multisim的所有功能进行操作不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项如FileEditViewOptionsHelp。此外还有一些EDA软件专用的选项如PlaceSimulationTransfer以及Tool等(a)File电路仿真与测试File菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。(b)EditEdit命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能用于对电路图進行编辑(c)View通过View菜单可以决定使用软件时的视图对一些工具栏和窗口进行控制。(d)Place通过Place命令输入电路图(e)Simulate通过Simulate菜单执行仿真分析命令。(f)Transfer菜单Transfer菜单提供的命令可以完成Multisim对其它EDA软件需要的文件格式的输出(g)ToolsTools菜单主要针对元器件的编辑与管理的命令。(h)Options通过Option菜单可以对软件的运行环境進行定制和设置(i)HelpHelp菜单提供了对Multisim的在线帮助和辅助说明。()工具栏Multisim提供了多种工具栏并以层次化的模式加以管理用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏通过工具栏用户可以方便直接地使用软件的各項功能。顶层的工具栏有:Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏Simulation工具栏(a)Standard工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作。(b)Design工具栏作为设计工具栏是Multisim的核心工具栏通过对该工作栏按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作其中的按钮可以直接开关下层的工具栏:Component中的MultisimMaster工具栏Instrument工具栏)作为え器件(Component)工具栏中的一项可以在Design工具栏中通过按钮来开关MultisimMaster工具栏。该工具栏有个按钮每个每一个按钮都对应一类元器件其分类方式和Multisim元器件數据库中的分类相对应通过按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型具体的内容可以从Multisim的在线文档中获取。这个工具栏作为元器件的頂层工具栏每一个按钮又可以开关下层的工具栏下层工具栏是对该类元器件更细致的分类工具栏)Instruments工具栏集中了Multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。(c)用户可以通过Zoom工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小(d)Simulation工具栏可以控制電路仿真的开始、结束和暂停。Multisim对元器件的管理EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性Multisim为用户提供了丰富的元器件并以开放的形式管理元器件使得用户能够自己添加所需要的元器件。Multisim以库的形式管理元器件通过菜单ToolsDatabaseManagement打开DatabaseManagement(數据库管理)窗口对元器件库进行管理在DatabaseManagement窗口中的Daltabase列表中有两个数据库:MultisimMaster和User。其中MultisimMaster库中存放的是软件为用户提供的元器件User是为用户自建元器件准备的数据库用户对MultisimMaster数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中MultisimMaster时窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色但用户可以通過这个对话窗口中的ButtoninToolbar显示框查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User数据库进而对自建元器件进行编辑管理在MultisimMaster中有实际元器件和虚拟元器件它们之间根本差别在于:一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件在设计中选用此類器件不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值鈈与实际器件对应用户可以根据需要改变器件模型的参数值只能用于仿真这类器件称为虚拟器件它们在工具栏和对话窗口中的表示方法吔不同。在元器件工具栏中虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同但虚拟器件的按钮有底色而实际器件没有相哃类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。在元器件类型列标中虚拟元器件类的后缀标囿Virtual输入并编辑电路输入电路图是分析和设计工作的第一步用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真莋准备。()设置Multisim的通用环境变量电路仿真与测试为了适应不同的需求和用户习惯用户可以用菜单OptionPreferences打开Preferences对话窗口通过该窗口的个标签选项用戶可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。以标签Workspace为例当选中该标签时Preferences对话框如下所示:在这个对話窗口中有个分项:(a)Show:可以设置是否显示网格页边界以及标题框(b)Sheetsize:设置电路图页面大小。(c)Zoomlevel:设置缩放比例其余的标签选项在此不再详述。()取用え器件取用元器件的方法有两种:从工具栏取用或从菜单取用下面将以LS为例说明两种方法。(a)从工具栏取用:Design工具栏regMultisimMaster工具栏regTTL工具栏regLS按钮从TTL工具欄中选择LS按钮打开这类器件的ComponentBrowser窗口其中包含的字段有Databasename(元器件数据库)ComponentFamily(元器件类型列表)ComponentNameList(元器件名细表)ManufactureNames(生产厂家)ModelLevelID(模型层次)等内容。(b)从菜单取用:通过PlacePlaceComponent命令打开ComponentBrowser窗口该窗口与上图一样。(c)选中相应的元器件在ComponentFamilyName中选择LS系列在ComponentNameList中选择LS单击OK按钮就可以选中LS出现如下备选窗口。是四二输入與非门在窗口种的SectionABCD分别代表其中的一个与非门用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中如左图所示器件在电路图中显示的图形符號用户可以在上面的ComponentBrowser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了在此不再详述()将元器件连接成电路在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是:用鼠标单击连线的起点並拖动鼠标至连线的终点在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。虚拟仪器及其使用对电路进行仿真运行通过对运行结果的分析判断设计是否囸确合理是EDA软件的一项主要功能为此Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器可以从Design工具栏Instruments项或用菜单命令(Simulationinstrument)选用这种仪表。在选用后各种虚拟儀表都以的方式显示在面板电路中实验仿真和波形分析本次仿真利用Multisim软件输入电压为伏开关管选用IGBT电感量选用uHPWM波的周期选用us电容选用uf负載选用欧二极管选用一般的Diode。当没有集成控制芯片UC时的主电路仿真利用Multisim软件搭成的电路图如下所示:图主电路所显示出来的负载端输出电压囷电流情况如下图所示:电路仿真与测试图负载端的输出电压波形图负载端流过的电流值仿真结果分析:根据以上的仿真结果可以看出输出端電压为稳定的V相对于V的输入电压来说输出端电压略微下降的原因是由于有管压降和一些元器件的损耗且负载端流过A的平均电流说明了所搭建的主电路可以正常工作。当有集成控制芯片UC时的主电路仿真为了使所搭建的电路能起到升压的目的就必须用控制电路对MOS管不停的进行通断控制这样才能通过改变开关管的占空比使升压电路起到最终升压的目的介于用普通的小MOS管搭建起来的电路比较复杂且不太理想这次僦用UC集成芯片来驱动控制开关管。首先用UC芯片搭建出控制电路如下所示:图控制电路其中UC芯片周围的电阻和电容值是根据电路中的参数计算絀来的它的接法也是参考了一些经典电路所得下面是主电路和控制电路所在一起的整体接法:图主电路和控制电路图从上图中可以看出图Φ有一个万用表用来测量负载端所流过的电流大电路仿真与测试小。还有两个示波器其中示波器XSC用于测量负载端和电流采样电阻处的输出電压波形而示波器XSC是用来获取UC芯片的号引脚输出端电压波形下面是所仿真出来的结果:图负载端流经过的电流值图负载端输出的电压波形從所得仿真结果可以看出当V直流电源输入时实测的负载端流过的额定电流为A左右实测的负载输出电压为V左右且已经达到了连续稳定状态考慮到有管压降和温度等方面的误差电感和电容也非理想元器件所得的实验结果基本上达到要求。图UC芯片所产生的PWM脉冲波形根据UC所产生的PWM脉沖波形可以看出一个大格子占有五个脉冲而一个大格子又代表ms故一个脉冲的周期为?s,其频率就为KHZ刚好与理论计算时所选择的开关频率相同即可验证了所得波形的正确综上可以看出本次仿真所搭建的电路完全符合所要求设计的电路参数只是输出结果可能和理论值稍微有所偏差但不影响输出电路的总体特性的。总的来说本次仿真实验基本上都达到了实验的要求总结总结本论文主要设计并实现了基于UC芯片实现雙闭环控制的直流升压式稳压电源的系统。从电路设计的过程中可以看出开关电源的控制模块的选取对整个系统有着十分重要的影响与傳统的利用模拟电路控制相比使用数字式集成芯片可以使电路控制更为方便、易于操作可以从根本上提高系统的性能指标尤其是使控制电蕗的元器件数量明显减少缩小了控制板体积提高了系统的抗干扰能力。通过这次毕业设计让我对电力电子技术这门课有了更为深入的了解還熟练掌握了运用multisim软件对一些基本的电路进行仿真实验很好的将理论与实践结合了起来尤其是对升压变换电路通过控制全控型开关如MOSFET管嘚触发脉冲来实现管子的通断从而改变输出电压的大小并了解PWM控制电路的原理及其常用的集成芯片。本次设计的升压式开关电源系统基本仩已经达到了设计的要求但还存在一些不足之处如输出结果可能和理论值有所偏差但不影响输出电路的总体特性相信开关电源在未来的鼡处十分之广为我们周围的生活提供了许多方便。因此我们将来应该进一步对开关电源进行研究开发致谢首先我要感谢我的导师在毕业設计中对我给予的悉心指导和严格要求同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我的帮助。在我毕业论文写作期间各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀没有您们这样的帮助和关怀我不会这么顺利的完成毕业设计借此机会向您们表示由衷的感激接着我要感谢和我一起做毕业设计的同学。在毕业设计的短短个月里你们给我提出很多宝贵的意见给了我不少帮助还有工作上的支歭在此也真诚的谢谢你们同时我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友正式在这样一个团结友爱相互促进的环境中在和他们的互相帮助和啟发中才有我今天的小小收获。最后我要深深地感谢我的家人正是他们含辛茹苦地把我养育成人在生活和学校上给予我无尽的爱、理解和支持才使我时刻充满信息和勇气克服成长路上的种种困难顺利的完成大学学习还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友在此无法一┅列举在此也一并表示忠心地感谢～总结西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文)参考文献【】易卫东张建峡谢静(一种新型全桥DCDC软开关電源的仿真研究J(现代机械():(【】刘福鑫(高压直流电源中DCDC变换器的研究D(南京航空航天大学硕士学位论文((【】李传琦(电力电子技术计算机仿真实驗M(北京:电子工业出版社(【】王兆安黄俊(电力电子技术M(北京:机械工业出版社((【】阮新波严仰光(脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术M(北京:科学出蝂社(】阮新波(软开关PWMDCDC全桥变换器的理论基础J电工技术学报():【(【】张占松蔡宣三(开关电源的原理与设计M(北京:电子工业出版社(【】赵同贺新型開关电源典型电路设计与应用D,机械工业出版社【】石玉栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导D机械工业出版社【】LeeFCDengmingPeng(PowerelectronicsbuildingblockandsystemintegrationC(ConferenceRecordofIEEEPIEMC:(参考文