开关电源的设计与仿真

第一章绪论

1.1 开关电源的基本概念

开关电源广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD 播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。

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，维持稳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。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

顾名思义，开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有明显的优点。

1.2 开关电源的发展及方向

开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守。

1.3 开关电源的分类

开关电源有多种分类。按电源启动方式可分为自激式开关电源和他激式开关电源；按储能电感（脉冲变压器）与负载连接方式可分为串联型开关电源和并联型开关电源；按控制开关管的导通方式可分为调宽型开关电源和调频型开关电源。

近几年来在开关电源的设计上不断改进和完善，出现了几种类型开关电源的组合，如自激并联调频式开关电源、自激串联调频式开关电源、自激并联调宽式开关电源、自激串联调宽式开关电源、他激串联调宽式开关电源及他激调频式开关电源等。同时，还出现了主、副多个开关电源、PWM（从取样误差放大到脉宽调制器电路）谐振式开关电源、多环路控制自激式开关电源及多开关管的桥式变换器开关电源等。

第二章开关电源各功能电路

2.1 开关电源的电路组成

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

开关电源的电路组成方框图如下：

2.2 输入电路的原理及常见电路

1、AC 输入整流滤波电路原理：

①防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。

②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。

③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。

2、DC 输入滤波电路原理：

①输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。

2.3 功率变换电路

1、MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS 管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

2、常见的原理图：

3、工作原理：

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS 电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。C4和R6为尖峰电压吸收回路。

4、推挽式功率变换电路：

Q1和Q2将轮流导通。

5、有驱动变压器的功率变换电路：

T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。

2.4 输出整流滤波电路：

1、正激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。

2、反激式整流电路：

T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器。

3、同步整流电路：

工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2 为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成π 型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。

2.5 稳压环路原理

1、反馈电路原理图：

2、工作原理：

当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1

发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。

反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。

2.6 短路保护电路

1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。

2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。

3、下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1 ③脚电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842 停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。

4、下图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：

当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3 两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。

5、下图是用电流互感器取样电流的保护电路，有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：

输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842 停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电

路自行恢复。

2.7 输出端限流保护

上图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。

2.8 输出过压保护电路的原理

输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：

1、可控硅触发保护电路：

如上图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。

2、光电耦合保护电路：

如上图，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通，3842的③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。

3、输出限压保护电路：

输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。

4、输出过压锁死电路：

图A的工作原理是，当输出电压Uo升高，稳压管导通，光耦导通，Q2基极得电导通，由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通，UC3842③脚始终是高电平而停止工作。在图B中，UO升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平，由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通，UC3842①脚始终是低电平而停止工作。正反馈？

2.9 功率因数校正电路（PFC）

1、原理示意图：

2、工作原理：

输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。

2.10 输入过欠压保护

1、原理图：

2、工作原理：

AC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。取样电压分为两路，一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压，比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压，比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。

第三章 开关电源的PSPICE 电路仿真

PSPICE 软件可以对连续模拟小信号进行频域分析（即AC 扫描），频域分析的结果--相位裕量和增益裕量直接影响到系统性能的好坏：相位裕量≥80°，系统上升时间长，动态性能差；80°>相位裕量>40°，系统动态性能较好；相位裕量≤40°，系统在大范围调节时容易振荡。PSPICE 对电路的瞬态分析是对整个电路的综合性能的分析，是我们需要的结果。这里功率级实际是开关离散性的，PSPICE 对这样的电路模型是不能够进行频域分析的，但是就该电路本身而言，后级的PWM 调制实质是一个功率放大器，对输入给定信号的线性放大。因此，我们可以将PWM 型电路的仿真分成两步。第一步，用一个压控电压源取代开关电源的PWM 调制部分，压控电压源的增益等于PWM 调制部分的增益，对整个电路进行频域分析，调整校正网络，使之具有适当的增益裕量和相位裕量，得到优化的零极点分配及相位裕量图，称之为模拟分析。第二步，插入PWM 功率级部分，进行瞬态分析，获得对纹波的抑制以及电源的输出对输入的跟踪精度的仿真结果，从而达到优化设计的目的，称之为PWM 分析。下面分别对这两步作一阐述。

3.1 模拟分析 一般地，对于一个给定的稳定系统，它的开环传递函数总可以写成: ∏+∏+=-==v n j j V m i i S T S S K S H S G 11)1()

1()()(τ，

要想能够对斜坡信号跟踪，则v ≥1，但当v ≥2时，系统难以稳定，故这里只能用v=1。稳定后该系统对输入信号的跟踪误差是一个常值，为输入量的1/K 倍。因此，要想得到高的跟踪精度，就要求有大的开环增益，但随着增益K 的增加，系统的相位裕量会随之减小，最终会导致系统的不稳定，因此，在保证一定的跟踪精度的基础上，选择适当的开环增益K ，以求达到尽可能宽的跟踪范围。

图2 频域分析原理图

见频域分析原理图2，感性负载L6，R17形成一个一阶极点

Hz L R f p 6.16

217

1==π。20kHz 高频滤波器L5,C8形成一个二阶极点KHz

C L f p 7.18521

2==π。fp1和fp2共同作用，使得在极点fp2之后增益的下降

斜率为-60dB/Dec ，因此系统的的增益曲线和0dB 曲线的交接频率fc 不能高于

1.7kHz ，否则会引起振荡。为抵消这个二阶极点，增加一个补偿网络R18,C9和L6,R17一起共同形成二阶补偿零点KHZ C L fz 7.19621

1==π。补偿后伯德图3中的增益曲线LODE GAIN 在fp1之后始终以-20dB 斜率下降。

为使系统在低频（低于1.6Hz ）具有很

高的增益，在5kHz 以上频率有-40dB 的下

降斜率，增加一个串联校正环节，即 图3

中运算放大器部分，具有一个零点

Hz

C R fz 7.161121

2==π和一个极点

KHZ C R fp 5711213==π。校正之后的波特图如

图3所示。AMPLIFIER GAIN 是运放的校正曲线，LODE GAIN 是滤波器、并联校正

及负载共同的频域相应曲线，SYSTEM GAIN 是校正后整个电路的频域响应曲

线。

图3 增益和相位--频率图

图4 PWM 调制型开关电源PSPICE 分析原理图

3.2 PWM 分析

仿真电路原理图如图4所示。目前广泛采用的固定频率PWM 调制型开关电源，实际就是利用PWM 调制器及一个压控开关取代图2 中的压控电压源，用来模拟开关电源的功率变换部分。PWM 调制器的增益等于压控电压源的增益，图3中的增益曲线也就适用于开关型的电源(图4) 。为同时获得电源对直流母源V9的纹波抑制能力的仿真，在直流源上增加了纹波电源V12。

放大器U13是纯比例放大器，调节它的反馈电阻R43的大小，即可调节整个电源开环增益的大小，改变系统的相位裕量，从而调节系统的跟踪性能。图5是R43分别取100K, 200K,2000K 时的瞬态响应仿真曲线。-I(R17)是输出的负载电流曲线，I(R17)/100+V(R9:1)是输出电流对输入斜坡的跟踪误差曲线，从图上可明显看出，随着增益的加大，跟踪误差成比例的下降，调节时间也随之缩短。对纹波的抑制能力是随着增益的加大而成比例增强。如果按误差要求小于0.1%，则当R43=2000K 时，可用时间百分比D=1；当R43=200K 时，可用时间百分比D=0.78；当R43=100K 时，可用时间百分比D=0。

图6是电路具有同样的回路增益，调节斩波器的供电电源V9分别为500V , 550V , 600V 得到的瞬态响应仿真曲线。可以看到，起始段由于输出电压低、回路具有相同的增益，因此都可以实现良好的跟踪。电流上升结束时，负载电阻两端电压为U1=500×0.73=365V ，负载电感两端的感应电压V dt di L

U 80103450500103722=-??-?==，所以斩波器要保持较好的跟踪，供电电源电压

不能低于U=U1+U2=445V，考虑到电源的纹波因素，在图6 中可以看到供电电源V9在500V时电流上升到390ms时，输出电流的跟踪性能明显变差，550V 时好转，600V时已经能够全程很好跟踪了。

图5 增益变化仿真曲线图6 供电电源V9变化仿真曲

线

3.3 结论

R43 相位裕量

（度）

跟踪误差（注1）可用时间可用时间百分比D (注2)

100K 87 12mV 0 0

200K 86 6mV 351mS 0.78

2000K 43 0.6mV 450mS 1

注1：跟踪误差是指：输出电流对电流给定信号的跟踪误差，它们的换算关系是：负载电流/100+电流给定。反馈电流传感器变比是：100A/1V。

注2：可用时间百分比D=好于0.1%跟踪精度所占用时间/ 斜坡上升时间对比图5，图6可知：1）采用三相全波整流+单闭环反馈斩波型开关电源结构可以满足上升时间为450ms、跟踪精度为0.1%的要求；2) 可以通过降低增益来增加系统的相位裕量，它的代价是牺牲了系统的纹波抑制能力、跟踪精度和跟踪速度，这二者是一对矛盾，只能在调机中兼顾二者，取得折衷；3）供电直流源要求留有一定的余量。

第四章开关电源的原理图设计

4.1 电路原理图

本电路D1-D4组成桥式整流，将220V的交流电压变为脉动整流电，再经C2滤波得平滑的直流电。L13、Q1、L24、C5、R4组成逆变电路，将直流电变成高频交流电。T1将L13的能量传递给次级，一组经D8、C7整流滤波得+24V的平滑直流电，另一组经D7、C8、L1、C6整流滤波得+5V的平滑直流电。Tl431、R10、R11、R12及PC817C 组成的电路进行取样反馈到逆变器去控制开关晶体管的导通时间，以改变输出脉冲的宽度，从而维持输出电压的稳定。