Cadence旗下的PSpice是一款电路仿真软件,能够对复杂的模数混合电路进行仿真,而且开关电源也不例外。
1 升压变换器拓扑结构
升压变换器属于间接能量传输变换器。供电过程包含能量的存储和释放两方面。如图1所示,Vclock是脉冲信号源,提供PWM电压,用以功率开关S1的导通与截止。Rsense为电流取样电阻,Resr为电容的等效串联电阻。在开关S1导通期间,二极管D1截止,电感储存能量,输出电容单独为负载提供电能。在开关S1断开期间,二极管D1导通,储存了能量的电感与输入电源串联,为输出提供电能,其中一部分转移到电容C1里。
1.1 工作于CCM条件下的升压变换器波形
对图1所示电路,借助PSpice进行仿真,获得如图2所示的波形图。这是典型的电感电流连续导通模式(CCM)。
图1 基础升压变压器结构电路
图2 工作于CCM条件下的Boost变换器波形
曲线①代表PWM波形,用于触发功率开关导通或断开。当开关S1导通时,公共点SW/D电压几乎降到0.相反,当开关S1断开时,公共点SW/D电压增加为输出电压和二极管的正向压降之和,如曲线②所示。曲线③描述了电感两端电压的变化。高电平期间,电感左侧电压为Vin,右侧几乎为0,对应功率开关导通;而低电平期间,电感左侧电压仍为Vin,而右侧突变为Vout,因为功率开关截止,同时二极管导通,此时对应电感电压为负值,这就意味着输出电压大于输入电压。
电感电路在平衡时,电感两端电压平均值为0,即电感的电压时间平衡。也就是图中阴影部分面积S1=S2.假设D为PWM的占空比,TSW为开关周期。则
整理得到
可见,在理想情况下,D越接近1,输出电压将趋于无穷大。实际上,只要输出一定的电流,就难以得到传输系数超过4~5的升压变换器。
曲线④为电感电流波形。可以看到电感电压虽然出现了跳变,但电感电流仍然是连续的。
曲线⑤是输出电压波形,也是电容电压。可以看到恢复尖峰以及电压纹波。若考虑输出电容的ESR,则相对纹波为
曲线⑥是输入电流,明显它是连续的。
1.2 工作于临界导通模式下的电感电流
当电感电流纹波降到0时,功率开关S1立即闭合,电感电流又向上增大。如图3所示电感电流处于临界点的电流变化。此时,电感电流平均值即对称三角形的电流平均值为最大值的1/2.即
假设效率为100%,则有
联立以上两式,可得R和L的临界值
图3 电感电流处于临界点的电流变化
2 PWM开关模式
1986年前后,脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)开关模式被提出,先后出现了电压模式和电流模式。电流模式是目前常用的控制方法之一。
2.1 电流模式及其不稳定性
电流模式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进行比较,控制PWM脉宽,由于电感电流随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。
在CCM条件下,占空比超过50%时,电流模式存在固有不稳定性,也称为次谐波振荡。这种不稳定性与稳压器的闭环特性无关,它是由固定频率和峰值电流取样同时工作所引起。图4(a)显示了这种现象,在t0时刻,开关开始导通,使电感电流以斜率m1上升,t1时刻,电流取样输入达到由控制电压建立的门限。这导致开关断开,电流以斜率m2衰减,直至下一个振荡器周期。如果有一个扰动加到控制电压上,产生一个小的△I,在一个固定的振荡器周期内,电流衰减时间减少,最小电流在开关接通时刻t2,上升了△I+△I*m2/m1.最小电流在下一个周期t3减小至(△I+△I*m2/m1)m2/m1.如果m2>m1,这样扰动经过几个开关周期的逐渐积累后,就会出现占空比一大一小的现象,即发生了次谐波振荡。图4(b)显示了通过在控制电压上增加一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,该斜坡的斜率如果≤m2/2,才能使得电感电流跟随控制电压,达到真正的电流模式工作。
图4 连续电流波形图
2.2 高性能电流模式控制器UC2843简介
UC2843是一种电流型脉宽调制电源芯片,价格低廉,广泛应用于电子信息设备的电源电路设计,常用作反馈式开关电源的控制电路。UC 2843工作电压为8.5~36 V,是专为离线和DC-DC变换器应用而设计,提供了只需少量外部元件就能获得低成本高效益的解决方案。具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考电压、高增益的误差放大器。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滞后式欠压锁定,低压锁定门限为8.5 V(通)和7.6 V(断),还有逐周电流限制、可控输出静区时间等。
图5所示为UC2843的内部框图。
图5 UC2843的内部框图
3 升压型开关稳压电源设计
电源的技术指标为:输人标称12V,动态范围9~18V,输出24V,Io为1A,频率为300kHz,输出电压精度为1%.设计电路如图6所示。
图6 12V-24V升压变换器电路
3.1 元件参数选择
(1)储能电感。
在保证电感电流连续模式前提下,电感值应满足
其中,Vs为为开关管导通时漏极电位。假定电路在额定输出时,电感纹波电流为平均电流的30%,即
故,电感值可取
综合考虑,电感可取50~150μH.
(2)其它元件参数选择。
为得到300 kHz的工作频率,选择RT电阻为27 kΩ,CT为220 pF.UC2843内部脚2为误差放大器的反向输入端,正向输入基准为2.5 V,可知输出电压为Vo=2.5(1+R1/R2),由此可确定输出取样电阻R1和R2值分别8.7 kΩ和1 kΩ。开关管,由于工作在大电流状态,且频率为300 kHz.应选择Rds小的功率开关MOS管。输出二极管应选择快恢复二极管以保证开关的正常工作。输出电容是一个重要的储能元件,所以应选用100μF及以上的电解电容,其余元件参数如图6所示。为防止次谐波振荡,特加入了由Q1组成的斜坡补偿电路。
3.2 电路模拟仿真
运行PSpice仿真,得到如图7所示波形。在9 V输入电压下,输出电压23.899 V,电压纹波11 mV,电感电流1.545 9 A,纹波271 mA,占空比75%.由于加入了斜坡补偿,所以并没有出现次谐波振荡,即占空比时大时小的现象。电源效率为70%.电路元件参数的具体选择,可参考仿真结果,查看每个元件的电流和耗散功率加以确定。
图7 PSpice仿真波形
4 结束语
借助PSpice仿真软件,设计了一款常用的12~24 V升压型开关稳压电源电路。整个电路调试容易,工作稳定、可靠性高、成本低。另外,可根据具体的电路指标要求,对电路进行灵活控制、变动,设计出其他的应用电路。
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