基于Saber的反激式开关电源仿真:开关电源 pid 仿真

　　摘要通过使用Saber软件,搭建电路级模型,仿真研究反激式开关电源。分析反激式开关电源原理,并与试验样机做对比,体现仿真对设计的指导性作用。 　　关键词aber;反激式开关电源;仿真
　　中图分类号TM359.4 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0020-01
　　
　　开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向。目前,随着各种新科技不断涌现,新工艺被普遍采用,新产品层出不穷,开关电源正向小体积、高功率密度、高效率的方向发展,开关电源的保护电路日趋完善,开关电源的电磁兼容性设计及取得突破性进展,专用计算机软件的问世为开关电源的优化设计提供了便利条件。
　　Saber是美国Analogy公司开发,现由Synopsys公司经营的系统仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术,多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合设计技术和验证工具的业界标准,可用于电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,与其他由电路仿真软件相比,其具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力,仿真真实性更好。
　　1反激式开关电源基本原理
　　反激式开关电源其拓扑结构如图1。
　　其电磁能量储存与转换关系如下
　　如图2(a)当开关管导通,原边绕组的电流Ip将线形增加,磁芯内的磁感应强度将增大到工作峰值,这时可以把变压器看成一个电感,逐步储能的过程。
　　如图2(b)当开关管关断,初级电流降到零。副边整流二极管导通,感生电流将出现在复边。从而完成能量的传递。按功率恒定原则,副边绕组安匝值与原边安匝值相等。
　　2基于UC3842的反激式开关电源电路设计
　　由Buck-Boost推演并加隔离变压器后而得反激变换器原理线路。多数设计中采用了稳定性很好的双环路反馈(输出直流电压隔离取样反馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路)控制系统,就可以通过开关电源的PWM(脉冲宽度调制器)迅速调整脉冲占空比,从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节,达到稳定输出电压的目的。这种反馈控制电路的最大特点是:在输入电压和负载电流变化较大时,具有更快的动态响应速度,自动限制负载电流,补偿电路简单。以UC3842为控制芯片设计一款50W反激式开关电源,其原理图如图3所示。
　　2.1高频变压器设计
　　1)原边匝数
　　因为作用电压是一个方波,一个导通周期的伏秒值与原边匝数关系如式(1)
　　 Np=(1)
　　式中 Np――原边匝数;
　　Vp――原边所加直流电压(V);
　　ton ――导通时间(us);
　　△Bac――交变工作磁密(mT);
　　Ae――磁心有效面积(mm2)。
　　2)副边绕组
　　由原边绕组每匝伏数=母线电压/原边匝数可得
　　副边绕组匝数=(输出电压+整流二极管压降+绕组压降)/原边绕组每匝伏数
　　3)气隙
　　实用方法:插入一个常用气隙,例如0.5mm,使电源工作起来在原边串入电流探头。注意电流波形的斜率,并调整气隙达到所要求的斜率。
　　也可用式(2)计算气隙。
　　 lg=(2)
　　式中lg ――气隙长度(mm);
　　u0 ――4n×107;
　　Np――原边匝数;
　　Lp――原边电感;
　　 Ae ――磁心面积(mm2)。
　　2.2反馈环节
　　图3中反馈环节由光耦PC817和TL431组成,适用于电流控制模式。输出电压精度1%。电压反馈信号经分压网络引入TL431的Ref段,装换为电流反馈信号,经过光耦隔离后输入UC3842的控制段。
　　TL431是由美国德州仪器生产的2.5V-36V可调式精密并联稳压器。内有参考电压2.5V,它与参考端一起控制内部的比较放大器。在输出阴极和参考端可加反馈网络,影响整个开关电源的动态品质特性。
　　2.3控制芯片外围电路
　　UC3842由4脚外接RC生成稳定的振荡波形,振荡频率=1.8/R12×C15。6脚输出驱动脉冲,驱动MOSFET在导通和截至之间工作。8脚提供一个稳定的5V基准源。
　　3Saber电路仿真
　　利用 Saber 软件进行仿真分析主要有两种途径,一种是基于原理图进行仿真分析,另一种是基于网表进行仿真分析。基于原理图进行仿真分析的基本过程如下:
　　1)在Saber Sketch中完成原理图录入工作;
　　2)然后使用net list命令为原理图产生相应的网表;
　　3)在使用simulate命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动Saber Guide界面;
　　4)在Saber Guide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;
　　5)仿真结束以后利用Cosmos Scope工具对仿真结果进行分析处理。
　　在这种方法中,需要使用Saber Sketch和Cosmos Scope两个工具,但从原理图开始,比较直观。所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析。但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦。
　　4系统仿真及实测
　　在Saber Sketch中完成原理图。并进行DC/AC分析。
　　如图4(a)为开关电源在220V交流输入时的MOSFET驱动电压波形仿真结果(b)为实测样机MOSFET驱动电压波形。作为专业级开关电源仿真软件,Saber在控制环路设计上,能够真实且直观的检验设计的稳定性。
　　如图5(a)为开关电源电流采样电阻上的电压波形的仿真结果(b)为实测波形。涉及开关电源部分器件选型的重要参数也同样可以通过仿真波形得到,例如开关器件MOSFET额定工作时通态最大电流等参数,同样可以从仿真波形中得出。
　　5结束语
　　在电路设计初期,借用Saber的电路级仿真可以很直观的对开关电源电路设计进行的评估,并在控制环路的设计上会有很大的帮助。在完成样机的初步测试后,同样可以借助仿真对电路功能进行校验。该电路广泛应用于小功率场合,具有体积小,成本低,结构简单等优点。
　　(a)仿真(b)实测
　　图4MOSFET驱动电压波形
　　 (a)仿真 (b)实测
　　图5电流采样电阻电压波形
　　测试结果(图5b)为220V,50Hz交流输入时,实验样机测试波形。
　　参考文献
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　　[2]王建秋,刘文生.Saber仿真在移向全桥软开关电源研发中的应用,2009.
　　[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计,2000.
　　[4]Saber.仿真中文教程.
　　[5]张煜.基于Saber的Boost APFC仿真分析及DSP实现.2009.
　　[6] Analogy Inc Saber Designer Introductory Course.1997.
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