[电子/电路]基于Multisim的升压直流稳压电源的仿真

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，1973年才开始这方面的研究工作，现在主要在小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，直流稳压电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，以及为了各种自动化仪器、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，稳压电源具有以下的一些优越性:(1)效率高(2)稳压范围宽(3)体积小重量轻 (4)安全可靠 直流稳压电源最基本的应用遍布于我们的生活中。笔记本电脑、MP3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、为家中固定电台供电的 13.8V电源更是典型的 3 稳压电压。直流稳压电源为我们使用电台提供了一个稳定的低压直流源。 直流稳压电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，用于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得多。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，这部分的能量将会转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，从而缩短了电源的寿命，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应用中尤为明显。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。2009年我国开始实施的节能评价值为待机能耗1W，能效指数为0.75。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。这就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、军工设备、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灯具，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。 1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964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1969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25千赫的开关电源。 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，是当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 4 电源设计的拟定 管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，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可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C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冲器。不过，对1MHz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。这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。 1.1.2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:(1)控制电路复杂，使用元器件多，可靠性降低。(2)控制电路硬件设计随控制方法变动。(3)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:(1)数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。(2)控制系统灵活，缩短了设计周期。(3)控制电路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。(4)控制系统的可靠性提高，易于标准化。(5)系统的一致性较好，成本低，生产制造方便。 本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。 1.2论文的主要内容 1.2.1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变压，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50HZ高很多(所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热～成本很低(如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。 开关电源的工作流程是: 5 电源?输入滤波器?全桥整流?直流滤波?开关管(振荡逆变)?开关变压器?输出整流与滤波 (1)交流电源输入经整流滤波成直流 (2)通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上 (3)开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载 (4)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 出的目的 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,开关变压器的体积就越小,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; 一般还应该增加一些保护电路,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。 1.2.2课题的基本思路 本次设计的电路主要分为主电路和闭环控制电路，其中: (1)先设计主电路和控制电路; (2)运用Multisim软件对所设计的电路进行调试和仿真; (3)完成毕设设计实验报告。 1.2.3几个假定条件 为简化分析过程，特作出以下几点假设: (1)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。 (2)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。 (3)输出电压中的纹波电压与输出电压相比小到可以忽略。 (4)电路己进入稳态。 6 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 2 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 2.1 概述 直流升压斩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)来改变输出电压U的大小。控制电路模块，可用一个UC3842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。 2.1.1 电路结构 Boost主电路结构图: 升压斩波电路(Boost Chopper)的结构图图如图2-1所示。 VDuLiGELi0i1 u00VTtCEi0R I10t (a) (b) 图2-1 升压斩波电路及其工作波形 (a)电路图(b)波形 工作原理: (1)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;而负载电压上正下负，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，1 U由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为。设VTo tEIt的导通时间为，则此阶段电感L上的储能可以表示为; on1on (2)在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，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 off01off 7 2.2工作模态分析及相关理论推导 2.2.1Boost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 -2所示。 工作于电感电流连续模式时，电路的工作波形如图2 S ttoffon 0tUV Uo 0tiL 0tiV 0tttt012 图2-2 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经历了两个开关状态，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，tU10i 续流二极管D此时处于关断状态，同时电容C2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Li12 通过续流二极管D共同向电容C2充电，并向负载提供能量，电感电流不断减小。 Boost升压斩波电路工作于电感电流连续模式时有: T1,, UUUoii1,Dtoff (2-1) 式中: T——MOS管的一个开关周期; t——MOS管在一个开关周期内处于通态的时间; on ——MOS管在一个开关周期内处于断态的时间; toff 8 DC/DC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,1U,,o 1，以免斩波电路输出电压过高造成电路损坏。 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2-3所示。 S ttoffon 0tUV UUoZ 0tiL 0tiV 0ttttt0123 图2-3 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升压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，整流电压向电感L充电，电感电流不断增0i1 大，续流二极管D此时处于关断状态，同时电容C2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Li12 通过续流二极管D共同向电容C2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0;续流二tt223 t极管D关断，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3 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C2i 提供能量。 Boost升压斩波电路工作于电感电流断续模式时有: 9 41，1，KU,Uoz2 (2-2) 式中: 2L,K2DTR (2-3) 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的主要原因: (1)L储能之后具有使电压泵升的作用 (2)电容C可将输出电压保持住 2.3控制电路模块 2.3.1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: (1)峰值电流模式控制(Peak Current(Mode Control PWM) 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: ?暂态闭环响应较快，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; ?简单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50%的开环不稳定性，存在难以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50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。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，开关器件的电流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 10 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 荡; ?电路拓扑受限制; ?对多路输出电源的交互调节性能不好。 (2)平均电流模式控制PWM(Average Current(Mode Control PWM) 平均电流模式控制概念产生于70年代后期。平均电流模式控制PWM集成电路出现在90年代初期，成熟应用于90年代后期的高速CPU专用的具有高di/dt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点是: ?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的控制; ?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。 (3)电压模式控制PWM(Voltage-mode Control PWM) 电压模式控制PWM是60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，至今仍然在工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; ?对于多路输出电源，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态响应较慢; ?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。 (4)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 11 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、输出电压的高频噪声大小以及占空比变化范围等。 2.3.2手段 (1)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。 (2)在应用的过程中利用电流电压的双反馈闭环系统来控制。 (3)在UC3842芯片中管脚3用于电流的反馈，管脚2用于电压的反馈。 CUO1 R3_RUR_A1A2++UO2R1R1 图2-4 PWM脉冲调制器电路原理图 (1)当UR=0V时的波形图(占空比为50%) Uo1 0t Uo2 t0 图2-5 调制信号的输出波形 12 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 (2)当UR变化，则占空比必然变化，UR增大，Uo1变宽。 (3)采UC3842实现。 2.3.3技术路线 (1)利用对全控器件触发角的控制实现对功率因数的改变。 (2)对控制模块的选择问题。 2.3.4可行性论证 (1)在电力电子技术中的相关应用技术都已经得到了充分的应用。 (2)电压、电流反馈控制模块已经被广泛应用了。 2.4电流型PWM升压变换器控制芯片设计 2.4.1 UC3842A UC3843A中文资料 UC3842A UC3843A 是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和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8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装(SO-14)。SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。 UC3842A 有16V(通)和10 伏(断)低压锁定门限，十分适合于离线变换器。UC3843A是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5伏(通)和7.6V(断)。 特点: (1) 微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比. (2)电流模式工作到500KHZ (3)自动前馈补偿 (4)锁存脉宽调制，可逐周限流 (5)内部微调的参考电压，带欠压锁定 (6)大电流图腾柱输出 (7)欠压锁定，带滞后 (8)低启动和工作电流 (9)直接与安森美半导体的SENSEFET产品接口 13 图2-6 UC3842和UC3843芯片的内部结构简化框图 图2-7 UC3842和UC3843芯片的外部引脚分布图 2.4.2 本次设计所采用的UC3842芯片的特点: UC3842 芯片共有8个管脚，其中各个管脚的功能如下: (1)1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。 (2)2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电源输出。 (3)3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。 (4)4号管脚的功能为RT/CT，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500kHz 。 (5)5号管脚的功能为地，该管脚是控制电路和电源的公共地(仅对8管脚 14 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 封装如此)。 (6)6号管脚的功能为输出，该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A 的峰值电流经此管脚拉和灌。 (7)7号管脚的功能为VCC，该管脚是控制集成电路的正电源。 (8)8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。 UC3842工作电压为16~30V，工作电流约15mA。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100%。另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。 由UC3842设计的DC/DC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: (1)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出变化，改善了瞬态电压调整率; (2)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; (3)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; (4)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，峰值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，50%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50%，也可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难度。 2.4.3由UC3842控制的Boost拓扑结构: 如下图2-8所示: 15 整流滤波输入Vi，C1储能电感L输出VoD，C2 PWM 功率开关SVcc 电流取样振荡Rt，CtRsUC3842补偿Rr,Cr反馈 图2-8 UC3842控制的DC/DC升压电路结构 2.5 主电路参数计算 在所设计的电路中，电路的参数选择为: (1)电源的输入电压Vs= 12V (2)额定负载电流5A (3)最小负载电流1A (4)开关频率1k-10kHz (5)输出直流电压为Vd= 36V;纹波小于5% 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 2.5.1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,3612,oiD,,0.67 (2-4) maxV36o 当输出最大负载时至少应满足电路工作在电流连续工作模式下: 2()(1)VVDD,,2(120.9)0.67(10.67)，,，，,is (2-5) ,LH,,,196If55000，o 同时考虑在10%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20%~30%，因增加可以减小电感L，L C但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容，取30%为平衡点，即: 7 16 DC/DC升压斩波变换器的原理分析及设计 I5o,,，,，,，,IIA30%30%30%4.55 (2-6) ()LLave110.67,,D VVD,,，120.90.67，，，，is则 , (2-7) LH,,,327,，If4.555000L 流过电感L的峰值电流为: I5oIIIA,，,,，,，,21.151.1517 (2-8) ，，LPLaveL()110.67,,D L可选用电感量为320~400µH且通过17A以上电流不会饱和的电感器。 2.5.2输出电压取样电阻R2、R3值的确定: 因UC3842的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5V，可知输出电压 (2-9) VRRV,，,2.5136，，o23 当取R2=100KΩ时，R3经计算为7.5KΩ 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R5上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842的误动作，在R5取样点到UC3842的脚3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。 2.5.3开关管S IIA,,17 开关管的电流峰值为 VLP(max) VVVV,，,，,360.836.8 开关管的耐压为 (2-10) dsoffof() 按20%的余量，可选用18A/40V以上的开关管。 2.5.4输出二极管D和输出电容器C7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,,17负载所需的最大电流。二极管的峰值电流，本电路可选用dLP(max) 18A/40V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C7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: 22VDT360.67，o,CF,,,96480 (2-11) 7,，，，VI361%55000oo 因此，可选用96480µF/40V以上频率特性好的电解电容可满足要求。 17 2.5.5 UC3842频率的计算 根据频率计算公式可得: 111 (2-12) f,,,IR，,3.8TTT，dtonoffRCRC,0.5465lnttttIR，,2.2dt 当Id=8.3mA,Rt=16KΩ时，频率f选为5KHZ，经计算得Ct=22.4nF。而在实验图里面Rt=R8,Ct=C1 2.5.6保护电路: 当UC3842的脚3电压升高超过1V或脚1电压 降到1V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UC3842关闭特性，可以很容易在电路中设置过压保护和过流保护。本电路中R5上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚3达到1V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。 18 电路仿真与测试 3 电路仿真与测试 3.1 仿真multisim软件介绍: Multisim是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technoligics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、电路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 杂内容，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Multisim2001，网上最为普遍的是Multisim 9，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 11作为其中一个组成部分包含于其中。 Multisim 9概述 Multisim 被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是:Multisim 9与LABVIEW 8的完美结合: 新特点:(1)可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器; (2)所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上; (3)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 11组成: (1) ―――构建仿真电路 (2) ―――仿真电路环境 (3) multi mcu ------ 单片机仿真 (4) ――FPGA、PLD，CPLD等仿真 (5) ―― 通信系统分析与设计的模块 (6) ―― PCB设计模块:直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图 (7) ,(自动布线模块) 仿真的内容: (1) 器件建模及仿真; (2)电路的构建及仿真; (3)系统的组成及仿真; 19 (4) 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(二极管，三极管，功率管等); 数字器件(74系列，COMS系列，PLD，CPLD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到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。 Commsim含有200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 中的模块和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，对数坐标，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行使用。 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 3.1.1 Multisim概貌 软件以图形界面为主，采用菜单、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。 (1)Multisim的主窗口界面。 启动Multisim 11后，将出现主界面。 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，并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。 (2)菜单栏 菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对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File，Edit，View，Options，Help。此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。 (a) File 20 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) Edit Edit命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能，用于对电路图进行编辑。 (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)Tools Tools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进行定制和设置。 (i)Help Help菜单提供了对Multisim的在线帮助和辅助说明。 (3)工具栏 Multisim 11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项功能。 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Multisim Master工具栏，Instrument工具栏。 1)作为元器件(Component)工具栏中的一项，可以在Design工具栏中通过按钮来开关Multisim Master工具栏。该工具栏有14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元器件数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。 21 这个工具栏作为元器件的顶层工具栏，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。 2)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工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。 3.1.2 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Tools/ Database Management打开Database Management(数据库管理)窗口，对元器件库进行管理。 在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库:Multisim Master和User。其中Multisim Master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Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar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Multisim Master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，在设计中选用此类器件，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，不与实际器件对应，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也不同。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。 相同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有Virtual。 3.1.3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,为分析和仿真做准备。 (1)设置Multisim的通用环境变量 22 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Option/Preferences打开Preferences对话窗口。 通过该窗口的6个标签选项，用户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: 在这个对话窗口中有3个分项: (a)Show:可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。 (b)Sheet size:设置电路图页面大小。 (c)Zoom level:设置缩放比例。 其余的标签选项在此不再详述。 (2)取用元器件 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74LS00为例说明两种方法。 (a)从工具栏取用:Design工具栏®Multisim Master工具栏®TTL工具栏®74LS按钮 从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Browser窗口。其中包含的字段有Database name(元器件数据库)，Component Family(元器件类型列表)，Component Name List(元器件名细表)，Manufacture Names(生产厂家)，Model Level-ID(模型层次)等内容。 (b)从菜单取用:通过Place/ Place Component命令打开Component Browser 窗口。该窗口与上图一样。 (c)选中相应的元器件 在Component Family Name中选择74LS系列，在Component Name List中选择74LS00。单击OK按钮就可以选中74LS00，出现如下备选窗口。7400是四/二输入与非门，在窗口种的Section A/B/C/D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号，用户可以在上面的Component Browser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。 (3)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并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。 3.1.4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，判断设计是否正确合理， 23 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(Simulation/ instrument)选用这11种仪表。在选用后，各种虚拟仪表都以的方式显示在面板电路中。 3.2 实验仿真和波形分析 本次仿真利用Multisim软件，输入电压为12伏，开关管选用IGBT，电感量选用327uH，PWM波的周期选用200us，电容选用100000uf，负载选用7.2欧，二极管选用一般的Diode。 3.2.1当没有集成控制芯片UC3842时的主电路仿真 利用Multisim软件搭成的电路图如下所示: 图3-1 主电路 所显示出来的负载端输出电压和电流情况如下图所示: 24 电路仿真与测试 图3-2 负载端的输出电压波形 图3-3 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，输出端电压为稳定的10.917V，相对于12V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1.516A的平均电流，说明了所搭建的主电路可以正常工作。 3.2.2当有集成控制芯片UC3842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，这次就用 25 UC3842集成芯片来驱动控制开关管。 首先用UC3842芯片搭建出控制电路如下所示: 图 3-4控制电路 其中UC3842芯片周围的电阻和电容值是根据电路中的参数计算出来的，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3-5 主电路和控制电路图 从上图中可以看出，图中有一个万用表，用来测量负载端所流过的电流大 26 电路仿真与测试 小。还有两个示波器，其中示波器XSC1用于测量负载端和电流采样电阻处的输出电压波形，而示波器XSC2是用来获取UC3842芯片的6号引脚输出端电压波形。 下面是所仿真出来的结果: 图3-6 负载端流经过的电流值 图3-7 负载端输出的电压波形 从所得仿真结果可以看出，当12V直流电源输入时，实测的负载端流过的额定电流为5.44A左右，实测的负载输出电压为34.366V左右且已经达到了连续稳定状态，考虑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。 27 图3—3 UC3842芯片所产生的PWM脉冲波形 根据UC3842所产生的PWM脉冲波形可以看出，一个大格子占有五个脉冲，而一个大格子又代表1ms，故一个脉冲的周期为200µs,其频率就为5KHZ，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。 28 总结 总 结 本论文主要设计并实现了基于UC3842芯片实现双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。与传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，尤其是使控制电路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，还熟练掌握了运用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管的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上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用处十分之广，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。 29 致 谢 首先，我要感谢我的导师在毕业设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3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持，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启发中，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，在此无法一一列举，在此也一并表示忠心地感谢～ 30 总结 31 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 参考文献 【1】易卫东，张建峡，谢静(一种新型全桥DC/DC软开关电源的仿真研究[J](现代机械，2009，(2):23—26( 【2】 刘福鑫(高压直流电源中DC/DC变换器的研究[D](南京航空航天大学硕士学位论文(2004( 【3】李传琦(电力电子技术计算机仿真实验[M](北京:电子工业出版社，2007( 【4】王兆安，黄俊(电力电子技术[M](北京:机械工业出版社(2006( 【5】阮新波，严仰光(脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M](北京:科学出版社，1999( 】 阮新波(软开关PWM DC/DC全桥变换器的理论基础[J]，电工技术学报，1999，14(5):【6 35—39( 【7】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，1999( 【8】赵同贺，新型开关电源典型电路设计与应用[D],机械工业出版社 【9】石玉， 栗贤.电力电子技术题例与电路设计指导[D]，机械工业出版社 1998 【10】Lee F C，Dengming Peng(Power electronics building block and system integration[C](Conference Record of IEEE—PIEMC，2000，1:1—8( 32 参考文献 33