趙筱赫，毛景魁

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 前言

開關(guān)電源因體積小、重量輕、功耗低、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信、航天等領(lǐng)域［1］。由于在開關(guān)電源線路中存在開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止、感性元件的儲能和釋能，以及容性元件的充放電等因素，會產(chǎn)生較大的電壓紋波，電壓紋波的干擾會形成成分更加復(fù)雜的諧波，并耦合到輸出端，使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的噪聲［2－4］。因此，在設(shè)計開關(guān)電源時，必須首先確定電壓、電流紋波，計算相應(yīng)的電感和電容，并據(jù)此對電路進(jìn)行仿真與實(shí)際驗(yàn)證，才可確保設(shè)計的可靠性。

一旦選定電源的電路拓?fù)浜螅纯筛鶕?jù)拓?fù)潆娐吩O(shè)計功率變換電路、占空比、變壓器匝數(shù)比和輸出濾波器。對于仿真來說，仿真電路原理圖通常是開環(huán)的，反饋不能根據(jù)輸入電壓的變化控制開關(guān)管，并校正輸出電壓和電流，因此，仿真往往是對于給定的占空比，驗(yàn)證輸出電壓是否正確，輸出的紋波電壓和紋波電流是否滿足設(shè)計要求。

傳統(tǒng)的仿真一般采用matlab進(jìn)行，需要計算需要仿真的傳遞函數(shù)，并設(shè)定收斂條件，這對于難以測定傳遞函數(shù)的開關(guān)電源來說，是一件既費(fèi)時效果又不理想的事。Saber軟件以其優(yōu)越的性能非常適用于開關(guān)電源電路的仿真和分析，這主要由其豐富的元件模型所決定的。

Saber是美國Analogy公司開發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、水力、控制等領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計和仿真。Saber的分析功能主要有:DC analysis(直流分析)，用于計算設(shè)計的工作點(diǎn);Transient(瞬態(tài)分析)，確定系統(tǒng)的時域響應(yīng);AC(頻域響應(yīng)分析)，分析系統(tǒng)隨頻率變化的響應(yīng)特性;傅里葉和FFT(傅里葉和快速傅里葉變換分析)，將時域波形變換為頻譜;iFFT(快速反傅里葉變換分析)，將頻域波形變換為時域波形［5］。

2 電路的參數(shù)計算

本文以一個降壓型DC/DC開關(guān)電源變換電路為例，詳細(xì)講述開關(guān)電源的設(shè)計與仿真驗(yàn)證過程。所設(shè)計的 DC/DC開關(guān)電源的指標(biāo)如下:開關(guān)頻率:200KHz，輸入電壓:150±6VDC，效率85%，輸出電壓15.0VDC，輸出紋波電壓:25mVpp，輸出紋波電流100mApp，最小負(fù)載電流50mADC。

需要計算的參數(shù)或設(shè)計的電路主要有:占空比和變壓器的匝數(shù)比的計算，輸出濾波器的設(shè)計。

2.1 占空比和變壓器匝數(shù)比的計算

2.1.1 計算占空比

在功率變換器中，輸出電壓和輸入電壓、占空比、匝數(shù)比之間的基本關(guān)系如式(1)所示:

其中，Vout為直流輸出電壓;n為匝數(shù)比;D為占空比。

已知Vout=1.5VDC，Vin=150VDC。功率變換器的占空比不小于0.5，選取0～0.5之間的數(shù)，如0.3。則有:15≈150×() ×0.3，據(jù)此，可計算出變壓器的匝數(shù)比n，如式(2)所示:

因此，變壓器匝數(shù)比約為3。

2.1.2 計算最大、最小和額定占空比

占空比可按照式(3)計算:

此處，Vd1為二極管的導(dǎo)通壓降，Vd2為二極管的關(guān)斷壓降。假設(shè)它們相等，則式(3)可簡化為:

最大占空比為:

式中，n=3，Vin(min)=150VDC －6VDC，Vin(min)=144VDC，Vout=15V，Vd=0.85V，代入式(5)，則有:

計算出的占空比為0.3302在0～0.5的范圍內(nèi)，可以用于功率變換器。

最小占空比為:此處，Vin(max)=156VDC，代入式(7)，有:

額定占空比為:

此處，Vin(nom)=150VDC，代入上式，有:

計算出的額定占空比比所選擇的占空比(0.3)大，這是因?yàn)榭紤]到二極管的壓降損耗。

2.2 輸出濾波器的設(shè)計

輸出濾波器設(shè)計的關(guān)鍵在于輸出電感、輸出電容和電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)的計算。通過濾波電感的電流在開關(guān)管關(guān)斷時下降，其波形如圖1所示，電感的最大峰－峰電流值由最小負(fù)載電流決定(I(min)=0.05A)。

圖1 通過濾波電感的電流波形

如果負(fù)載電流低于0.05A，濾波電感中的電流將會出現(xiàn)零值，功率轉(zhuǎn)換器將工作于斷續(xù)模式，如圖2所示。

圖2 最大紋波電流

為避免電流的斷續(xù)，濾波電感中的電流在開關(guān)管關(guān)斷時不能為零(最小負(fù)載電流為0.05A)。因此，鋁箔電感中的峰－峰電流值被限制為0.1Ap－p。

2.2.1 濾波電感的計算

濾波電感兩端的電壓計算，如公式(11)所示:

2.2.2 輸出電容的計算

紋波電流來自于電感，而紋波電壓取決于輸出電容。式(12)用來計算輸出電容的大小:

式中，Iripple=0.1A，f=200KHz，Vripple=0.025V，代入式(12)，可計算出輸出電容，如式(13)所示。

2.2.3 電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)的計算

電容的串聯(lián)等效電阻(ESR)為:ESR=△V/△I=0.025/0.1=0.25Ω，因此，電容的串聯(lián)等效電阻不能超過0.25Ω，否則，紋波電壓將會超過規(guī)定值。

3 電路原理圖及仿真設(shè)定

3.1 原理圖設(shè)計

在Saber的原理圖設(shè)計窗口中新建一張?jiān)韴D。根據(jù)上述的參數(shù)，繪制仿真電路原理圖如圖3所示。

圖3 仿真原理圖

3.2 仿真設(shè)定

點(diǎn)擊Saber時域分析設(shè)置(Analysis－＞Time－

－Domain－＞Transient)頁，進(jìn)行仿真控制設(shè)定，主要設(shè)定如下:

4 仿真結(jié)果

完成上述仿真設(shè)定后，點(diǎn)擊OK按鈕，將執(zhí)行仿真，執(zhí)行500us的瞬時響應(yīng)的仿真操作，每一個信號的仿真結(jié)果波形保存于仿真原理圖所在的文件夾中，稱為tr繪圖文件，仿真結(jié)果在ComosScope中以時域波形顯示。

在ComosScope中，選取輸出電壓和濾波電感電流信號，繪制濾波電感的電流波形i(l.l1)和輸出電壓波形Vout，如圖4所示。

由圖4可以看出，輸出電壓快速上升至15V后穩(wěn)定，紋波電壓約為25mVp－p;濾波電感電流快速上升到2mA后穩(wěn)定，紋波電流為100mAp－p，這與設(shè)計初始目標(biāo)相吻合。

圖4 啟動時的輸出電壓和電感電流

5 結(jié)論

本文以一個DC/DC降壓型開關(guān)電源的設(shè)計與仿真為例，詳細(xì)說明了DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計與仿真過程。仿真結(jié)果證明，采用Saber軟件進(jìn)行開關(guān)電源電路的設(shè)計與仿真，快速方便，人機(jī)界面友好，便于結(jié)果分析。Saber以其豐富的模型和快速的仿真算法，不僅可以快速地出現(xiàn)仿真結(jié)果，而且仿真結(jié)果比較符合實(shí)際情況，圖形直觀，便于對仿真電路進(jìn)行分析和校正，為開關(guān)電源的設(shè)計提供了一個強(qiáng)有力的工具。

［1］肖永軍，周傳璘，曾慶棟.Buck DC/DC變換器輸出電壓紋波的仿真研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，2(26):87 －89.

［2］Hiroki Hyakutake，Koosuke Harada.Analysis of output voltage ripple caused by ESR of a smoothing capacitor for a low－voltage high－current buck converter［J］.Electrical Engineering in Japan，2003，143(2):59－66.

［3］王永平，付敏江.開關(guān)電源穩(wěn)壓原理——原理設(shè)計與實(shí)用電路［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［4］張?zhí)m蕓，姜孝華，何振輝，等.Buck DC/DC變換器的研究與設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2007，41(8):45 －47.

［5］劉康珍，張延年.用Saber作交直交系統(tǒng)仿真［J］.電氣開關(guān)，2008，6:63 －64，66.