软开关电源是相对于硬开关电源而言的。人们通常所说的开关电源，指的是硬开关电源。这种电源，开关器件是在承受电压或电流的情况下接通或断开的，因此在接通过程会产生较大的损耗，即所谓的开关损耗。电源的工作状态一定时，开关器件开通和关断一次的损耗是一定的，因此开关频率越高，开关损耗也就越大。同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，因此硬件开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施。
软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，既零压开关，或是通过开关器件的电流为零，既零电流开关。这种开关方式显著减少了开关损耗的开关过程中激起的振荡，可以大幅度提高开关频率，为开关电源小型化及高效化创造了条件。
准谐振变换器强制电压或电流波形成为准正弦波，如果功率开关在合适的瞬间断开，就可以没有开关损耗，又因为电压或电流波形的变化受到控制，RFI/EMI的性能会好的多。大部分基本PWM电路拓扑存在对应准谐振型电路拓扑。
零电压开关（ZVS）是一种传统的谐振变换器。它是指谐振电容Cr先与变换器中的开关器件并联再与谐振电感Lr串联。基本原理是：在开关器件导通时，谐振电容Cr两端电压为零；当开关器件由导通转为截止时，谐振电容Cr开关器件的电压上升率，实现开关器件零电压截止；当开关器件由截止转为导通时，谐振电感Lr与谐振电容Cr谐振工作使谐振电容Cr两端电压降为零，实现开关器件零电压导通。
关键词： 软开关电源；准谐振变换器；零电压开关；
Abstract
Soft switching power supply is relative to the hard switching power supply. People often say switching power supply, switching power supply is hard. The power supply, switching device is under voltage or current situation on or off, thus greatly in through the process of depletion, namely so-called switch loss. The working state of power, when switching device must be open and shut off a loss is certain, thus switch, the higher the frequency, the switch loss is bigger also. Also during switching will arouse parasitic capacitance and inductance distribution circuit, bring additional loss of oscillation and electromagnetic interference with hardware switch power frequency, therefore, cannot too tall, but must take measures of preventing electromagnetic interference.
Soft switching power supply switch device in the opening or shut off the process, or add to the voltage is zero, zero pressure switch, or by switching device, the current zero zero current switch. This switch mode, reduce the switch loss of oscillation process switching, which could increase the frequency of switch power supply, switching to create
Quasi resonant converters compulsory voltage or current waveform become accurate sine wave, if at the right moment power switch, can not switch disconnected, and loss of voltage or current waveform because of the change of EMI/RFI under control, the performance will be better. Most basic PWM circuit topology existence of corresponding quasi resonant circuit topology.
Zero voltage switch (ZVS) is a kind of traditional resonant converters. It refers to the first resonant with the capacitance transducers Cr parallel resonant switching devices and inductance Lr series. The basic principle is: in switching device turn-on voltage, resonant capacitance Cr ends to zero, When switching device by conduction deadline, resonant capacitor to the voltage limit switch device Cr rate, realize zero voltage by switching devices, When switching device by the deadline to turn-on, harmonic oscillator capacitance and inductance Lr resonant work make resonance capacitance Cr ends Cr, realize the voltage drop to zero zero voltage switching devices.
Keywords： Resonant converters;Zero voltage switch;Current control;Flyback converter type;
第1章 绪论…………………………………………………………………………………1
1.1 开关电源技术的发展状况…………………………………………………………1
1.2 课题的研究目的和意义……………………………………………………………3
1.3 电路仿真的状况和发展……………………………………………………………4
第2章 软开关的类型………………………………………………………………………6
2.1 软开关的基本概念…………………………………………………………………6
2.2 软开关电路分类……………………………………………………………………8
2.3 准谐振开关变换器工作原理 ……………………………………………………10
第3章 主要单元电路 ……………………………………………………………………12
3.1 零电压开关准谐振变换器 ………………………………………………………12
3.2 反激式变换器………………………………………………………………… …15
3.2.1 反激式变换器技术背景 ……………………………………………………15
3.2.2 反激式变换器的工作原理 …………………………………………………17
3.2.3 反激式变换器能量转换过程 ………………………………………………18
第4章 主电路的设计及参数的确定方法………………………………………………23
4.1 主电路及其作用 …………………………………………………………………23
4.2 准谐振反激式变换器的实现 ……………………………………………………24
4.3 准谐振反激式变换器 ……………………………………………………………24
4.3.1 准谐振反激式变换器结构 …………………………………………………24
4.3.2 准谐振反激式变换器工作原理 ……………………………………………25
4.4 设计参数的确定 …………………………………………………………………28
第5章主电路参数的计算及器件的选择…………………………………………………33
5.1 设计指标 …………………………………………………………………………33
5.2 反激式变压器的设计 ……………………………………………………………33
5.3 谐振回路的参数的计算 …………………………………………………………34
5.4 输出滤波、整流的设计与选择 …………………………………………………35
5.5 功率开关器件的选择 ……………………………………………………………35
5.5.1 主开关器件 …………………………………………………………………36
5.5.2 定时电路功率器件的选择 …………………………………………………36
第6章 控制、驱动及保护电路的设计……………………………………………………37
6.1 控制电路的设计 …………………………………………………………………38
6.2 UC3842结构和功能介绍 …………………………………………………………39
6.3 驱动及保护 ………………………………………………………………………45
6.4 设计电压负反馈 …………………………………………………………………45
6.5 设计反馈环补偿 …………………………………………………………………46
第7章 仿真………………………………………………………………………………48
7.1 软件简介 …………………………………………………………………………48
7.2 Electronics Workbench 软件界面 ……………………………………………49
7.3 Electronics Workbench 基本操作方法 ………………………………………51
7.4 电路仿真 …………………………………………………………………………55
总结 ………………………………………………………………………………………58
致谢 ………………………………………………………………………………………59
参考文献 …………………………………………………………………………………60
附录 ………………………………………………………………………………………61
原文 ………………………………………………………………………………………62
译文 ………………………………………………………………………………………73
第1章 绪论
1.1 开关电源技术的发展状况
1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，实现高频
转换控制电路的开端，1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在19年美
国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1969年终于做成了25
千赫的开关电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电
源的研究成了国际会议的热门课题。
自20世纪60年代开始得到发展和应用的DC-DC功率变换技术其实是一种硬开关技术。60年代中期，美国已研制成20kHz DC-DC变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了50Hz工频变压器，使直流电源的重量、
体积大幅度减小，提高了效率，输出高质量的直流电。到70年代初期己被先进国
家普遍采用。早期开关电源的控制电路～般以分立元件非标准电路为主，经过十
多年的发展，国外在1977年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成
化标志着开关电源的重大进步。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整
的48V成套电源，即目前所谓的开关电源(SMP—Switch Mode Power)或开关整流器
70年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技
术界不断研究开发高频软开关技术。最先在70年代出现了全谐振型变换器，一般
称之为谐振变换器(Resonant converters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器(Series resonant converters，SRcs)和并联谐振变换器(Paral lel resonant converters。PRCs)两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。
准谐振变换器和多谐振变换器(出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。
80年代末出现了零开关PWM变换器，它可以分为零电压开关PWM变换器和零电流开关P州变换器。它采用的是PWM控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期。
90年代初出现了零转换PWM变换。它也分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。
近年来，开关变换器朝着提高集成度、提高效率、提高控制精度和小型轻量化飞速发展。
1、提高集成度。早期的开关变换器电源系统以分立元件构成为主。上世纪90年代中、后期，出现了由控制芯片、功率开关管和电感电容元件组成的功率集成电路(Power IC)。由子方便地实现了功率调节、远程控制等功能，以及体积、重量的大幅度降低，功率集成电路顺应了现代便携式电子设备对电的需求，并因此得到了广泛应用和快速发展。集成开关电源在通信行业、工业自动化、汽车制造业、航空航天技术等领域中成为电源设计的主流，代表着稳压电源的发展方向，被誉为高效节能电源。发展到今天，功率集成电路控制芯片把控制电路和功率开关集成到一起，外部仅需少量的电感、电容元件就可方便地构成开关电源。可以预期，随着电感元件在芯片上集成技术的日渐成熟，开关电源系统的集成度会更高。
2、提高电源转换效率。提高电源的转换效率意味着降低电源的损耗。开关变换器的开关损耗主要包括：
1)开关器件导通时，电流流经开关的导通电阻，产生导通损耗；
2)开关器件在导通、截止间转换时，由开关管的栅源电容充放电引起的开关损耗。针对减少这两项损耗，分别发展了同步整流技术和软开关技术。同步整流技术采用MOSFET代替整流二极管，由于MOSFET的导通电阻很低，整流元件的导通损耗大大降低，提高了转换效率。同步整流技术尤其适宜应用在低电压、大电流的场合。PWM软开关拓扑架构：在功率开关导通、关断的瞬间，利用辅助开关造成主开关管零电压或零电流开通或关断，而在非开关时间电路仍以正常方式工作，因此主电路电压、电流幅值仍与传统PWM变换器相同。这种技术的另一个优点是它的零电压、零电流开关条件不受输入电压和负载变化的影响。特点是电压、电流变换过程中没有波形交叠，使开关损耗近似为零，从而提高系统的电源转换效率。软开关技术适用于开关频率较高的应用场合。另外，还有低功耗待机、远程关断、跳过周期、轻载时自动降低开关频率等提高转换效率的措施。
3、提高控制精度。开关变换器的控制方式由最初的电压单环反馈控制发展为电压、电流双环反馈控制，其中基于平均电流控制的PWM控制技术能实现对电感电流平均值的精确控制，己成功应用在功率因数校正电路中。此外，还出现了电荷控制技术等。
4、小型轻量化。开关电源的体积越来越小。随着集成度的提高，开关电源所需要的外围元件越来越少；随着开关频率的提高，系统所需要的电感、电容元件值降低，电感、电容元件占用的体积减小。此外，还出现了由同一个输入电源实现多路电源输出的拓扑结构。多路输出电源可以通过并联或串连方式实现。采
用单输入多输出DC-DC变换器可有效减少整机体积，是实现整机综合性能优化的措施。
在环境保护意识日益加强的2l世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能(或少)对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源：向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率校正(PFC Power Factor Corrector)的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。
总体来讲，目前开关变换器发展的技术趋势为：高频化技术、软开关技术、功率因数校技术(PFC)，模块化技术以及低输出电压技术等。这些新技术的发展迫切地要求相应的计算机建模与仿真技术的发展。电源技术发展到今天，己融汇了电子、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。
1.2 课题的研究目的和意义
准谐振变换器的建模分析是研究开关电源的基础，对开关电源的分析与设具有重要意义，开关电源具有工频变压器所不具备的优点，新型、高效、节能的开关电源代表着稳压电源的发展方向，因为开关电源内部工作于高频率状态，本身的功耗很低，电源效率就可做得较高，一般均可做到80%，甚至接近90%。这样高的效率不是普通工频变压器稳压电源所能比拟的。开关电源常用的单端或双端输出脉宽调制（PWM），省去了笨重的工频变压器，可制成几瓦至几千瓦的电源。
近年来，DC—DC开关变换器以其转换效率高、稳压范围宽、重量轻、灵活的正负极性和升降压方式等优点，获得了广泛应用。但是DC-DC开关变换电路是一个时变的、强非线性的动态系统，它的分析与设计一直是一个难题。DC—DC开关变换器的建模分析是研究开关电源的基础，对开关电源的分析与设计具有重要意义，开关变换器的建模研究是当前电力电子技术领域的研究方向之一，是电路分析设计的基础，70年代以来，有众多著名学者从事这方面的研究，并且取得了大量成果。一般来讲，变换器的建模方法可分为两大类， 一类称为数字仿真法，另一类称为解析建模法，数字仿真法是指利用各种各样的算法对开关变换器进行数值计算，从而得到其某些特性数值解的方法，数字仿真法又可分为直接数字仿真法和间接数字仿真法；解析建模法是指用解析表达式来描述开关变换器特性的建模方法，解析建模法又可分为离散法、平均连续法、连续离散法、等效小参量法等。
高频、高功率密度、高效率始终是DC-DC变换器不断追求的目标，是电路分析设计的基础，其中软开关电力电子变换技术是近年来的一个热门课题。软开关技术的应用可使电力电子变换器具有更高的效率和更高的功率密度。软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路，软开关技术被广泛应用，标志着最新一代逆变器登上了历史舞台，但是对这种变换器而言，传统的理想模型和实际电路之间的偏差是建模不可忽视的问题，本文将对DC-DC开关变换器的建模分析进行了深入的研究，有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。
在电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及技术性能直接影响到电网的运行和设备的安全；在通信网络中，通信电源的优劣直接影响各种通信的质量和效
果，因此人们极为重视电源的质量和技术性能。而研制新型电源和电源仿真的研究也就变得有十分重要的意义。
在中大功率DC-DC变换器中一般采用PWM控制方式，其具有许多优良的性能，应用十分普遍。但是由于PWM控制方式变换器中的开关器件工作在硬开关状态，每个周期都在高电压下开通，大电流下关断，器件承受的开关应力大，并在高频PWM中会产生相当可观的开关损耗，而开关损耗随开关频率的提高而增大，使得变换器很难实现高频化，从而造成开关电源体积大以及产生严重的电磁干扰等问题。为了解决硬开关的这些问题，Divan博士提出了软开关的概念。采用软开关技术，功率器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可以有效的降低开关损耗，理论上为零开关损耗。本文在对反激式变换器和零电压开关准谐振开关变换器理论分析的基础上，零电压开关变换器进行建模仿真。
1.3电路仿真的状况和发展
现在开关电源的应用中，在开关动作时，开关电流、电压的上升率大，因而
应力大；高频化使得电源体积减小，散热条件变差，变换器的内部工作环境恶化；
开关器件频繁开通和关断，在一定条件下会产生谐波，污染电网的用电环境。同
时新型变换器元件类型多、参数复杂，如果都采用高质量、高精度的元件又会造
成成本提高，市场竞争力下降。对于这些复杂的问题，使用传统的设计方法很难
解决。应用计算机仿真来辅助设计，选择适合的软件，上述的问题就会得到一定
的解决。在仿真时，读取电路中任意一条支路的电流以及各个点之间的电压非常
容易。而且仿真软件还可进行频率响应、噪声分析、参数变化分析、蒙特卡罗分
析、最坏情况分析等等，这些都是简单的实验所不能完成的。
自从60年代计算机应用以来，对分析电路和系统提出过很多分析方法，但是
对于以开关状态工作的电路与系统，直到70年代才有相应的仿真软件出现。其中
应用比较普遍并且对开关工作电路与系统仿真产生影响的有如下几种：
1、美国Virginia电力电子中心开发的COSMIR，它基于离散时域法开发，用直接数字积分法或解析法求解，可以快速得到稳态响应或大信号瞬态响应，但由于开关器件的理想化假设，因此不能分析器件开通或关断瞬间开关器件的电应力变化：
2、基于节点分析法开发的EMTP、ATP，PECAN等程序，可应用于电力系统等大系统的仿真，其主要缺点是：处理电源不充分，不能包含与电流有关的元件，难以实现有效的数字积分，分析线性电路的零、极点要用特殊技术，难以快速分析电力电子电路的稳态等；
3、基于改进的节点分析法开发的SPICE通用电路仿真程序及其派生软PSPICE，
HSPICE等，其主要缺点仍是分析费时较多；
4、美国加州理工学院研制开发的SCAP，它基于状态空间平均法开发，可对开关变换器进行大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数及零，极点配置；
5、MATLAB。它是一个高性能的数学工具，能够解决许多实际的工程和数学问题，可用于：数值分析、矩阵计算、优化和绘图等，目前也被广泛用于开关交换器建模与仿真分析；
6、理大学Y．S．Lee等人将PSPICE和MATLAB结合，开发了电力电子电路优化用的CAD程序，称为MATSPICE，可用来：建立SPICE模型、仿真和性能评估、设计目标和约束定义的描述、多目标优化等。
第2章 软开关的类型
2.1软开关的基本概念
在电力开关变换器的发展过程中，20世纪50年代，脉宽调制(PWId)硬开关技术的出现，为电力电子技术的发展揭开了新的序幕。PWM技术以其电路简单，控制便而获得了广泛应用。一般说来，PWM技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但是通过改变开关的接通时间长短，使得当负载变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。但是这种开关技术是一种“硬开关”，即开关管的通断控制与开关管上流过的电流和器件两端所加的电压无关，功率开关管的开通和关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，开关损耗很大。尤其是现代电力电子技术正在向高频更高频的方向发展，PWId硬开关技术使得开关损耗已经成为高频化发展的显著障碍。下面详细说明开关损耗的产生机理如图2.1
a）硬开关的开通过程 b）硬开关的关断过程
2.1硬开关的开关过程
开关电源中所应用的功率开关器件GTR，MOSFET等并不是理想的开关器件。在硬开关开关电源技术中，如图2．8在开通的过程中开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开通损耗,其值由式(2-1)给出：
（2-1）
式中T是开通或关断时间。
当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时开关管的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里电压和电流也有一个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗(Turn—off lass)其值同样可以由式(2-1)计算得到。将开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损耗通称之为开关损耗(Sritching Loss)。
在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换器的频率则开关管的开关损耗也随着增加，其单管总开关损耗由式(2-2)给出：
(2-2)
其中f是开关频率。由式(2-2)可知，开关频率越高，损耗越大，变换器的
效率就越低。开关损耗的存在严重地了开关电源的小型化和轻量化以及开关
频率的提高。
开关管工作在硬开关状态下，会产生较大的电磁干扰：同时在开关过程中开关管也会承受较大的电压和电流应力，为了减小开关管在工作时产生的电磁干扰和免受过压过流损坏同时减小开关电源的体积和重量，必须实现高频化，高效率化，其方法就是减小开关损耗。减小开关损耗的方法除了选择高性能的器件外还有就是实现变换器开关管的软开关。
通过在原电路的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减少甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。使开关条件得以改善。软开关有时也被成为谐振开关。软开关电路中的典型的开关过程如图2.2，具有这样开关过程的开关称为软开关。软开关电路中S关断后Lr与cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。
a)软开关的开通过程 b）软开关的关断过程
图2.2 软开关的开关过程
根据实现策略的不同，可以把软开关分为两类：零电流开关、零电压开关。零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。零电流开关有两层含义：在开关管关断前，预先使其电流减小到零，从而实现零电流关断；在开关管开通过程中，设法使其电流保持为零，或者电流的上升率，使之只以很小的电流与电压交叠，从而实现或近似实现零电流开通。
零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。零电压开关也有两层含义：在开关管开通前，预先使其电压减小到零，从而实现零电压开通；在开关管关断过程中，设法使其电压保持为零，或者电压的上升率，使之只以很小的电压与电流交叠，从而实现或近似实现零电压关断。
零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。
2.2软开关电路分类
根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PwM电路和零转换PWM电路。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路，如图2.3。
a）开关基本单元 b）降压变换器的基本单元
C） 升压变换器的基本单元 d） 升降压变换器的基本单元
2.3 基本开关单元
准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。为最早出现的软开关电路，可以分为两类：零电压开关准谐振电路;零电流开关准谐振电路;零电压开关多谐振电路;用于逆变器的谐振直流环节，如图2.4。
a） b） c） a）图为零电压开关准谐振电路基本单元 b）图为图为零电流开关准谐振路基本单元， c）图为零电压开关多谐振电路基本单元，
2.4 准谐振电路的基本单元
特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制。引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。减小或直接消除开关损耗，实现零损耗。零开关PWM电路可以分为：零电压开关PWM电路零电流开关PWM电路，如图2.5所示
a） b）
a）零电压开关PWM电路的基本单元 b）零电流压开关PWM电路的基本单元
图2.5零 开关PWM电路的基基本单元
特点：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换PWM电路可以分为：零电压转换PWM(Zero．Voltage．TransitionPWMConverter-ZVTP WM)；零电流转换PWM电路(Zero．Current Transition PWM Converter--ZVTPWM)如图2.6。
a）零电压转换PWM电路的基本单元 b）零电流转换PWM电路的基本单元
图2.6 零转换PWM电路的基本单元
特点；电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
2.3准谐振开关变换器工作原理
谐振开关模型
谐振开关是由一个开关器件、谐振电感和谐振电容组成的电子电路。按照不同的组合方式，可分为电流型谐振开关和电压型谐振开关，如图2.7。电流型谐振开关为零电流开关(ZCS)，电感L，与开关S串联，如图2.8(a)所。电压型谐振开关为零电压开关(ZVS)，电容C开关S并联，电路如图2.8(b)所示。ZCS开关谐振变换器的特点是：能保证运行中开关器件在断开信号到来之前，管中电流己下降到零，即保证了开关器件在零电流条件下断开，从而大大减小了开关器件的断开损耗，同时也能大大地减小断开电感负载时可能出现的电压尖峰，电路如图2．7所示。ZVS开关谐振变换器是能保证在运行中开关器件在开通信号到来之前，管子的电压已下降到零，即保证了开关器件在零电压条件下导通，从而大大减小了开关器件的开通损耗和浪涌电流。电路如图2.8。在实际应用中，零电流和零电压谐振开关又分为半波模式和全波模式，其主要区别是二极管D、与开关s是串联还是并联。如图2.9所示。
a）电流型谐振开关 b）电压型谐振开关
图2.7 电流电压型谐振开关
a）半波模型 b）全波模型
图2.8 零电流型谐振开关
a）半波模型 b）全波模型
图2.9 零电亚型谐振开关
第3章主要单元电路
3 .1零电压开关准谐振变换器
准谐振开关就是在直流变换器中的开关管中加入一个谐振电感L和一个谐振电容C而组成的。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同组合，可分为零电流准谐振开关和零电压准谐振开关。
零电压开关准谐振变换器，它是指谐振电容Cr先与变换器中的开关器件并联再与谐振电感Lr串联。基本原理是：在开关器件导通时，谐振电容Cr两端电压为零；当开关器件由导通转为截止时，谐振电容Cr开关器件的电压上升率，实现开关器件零电压截止；当开关器件由截止转为导通时，谐振电感Lr与谐振电容Cr谐振工作使谐振电容Cr两端电压降为零，实现开关器件零电压导通。
3.1.1几种常见结构
图 3.1
3.1.2工作原理
现以降压型零电压准谐振变换器的基本电路（图3.2）为例说明。这种方式的开关元件VT的电流为矩形波但电压波形是以t1时刻开始谐振的电压电源Ui为中心的正弦波状。因此，主开关元器件上的电压Uc为
Uc(t)=U +ZIsinwt (3- 1)
式中，w=,Z=。 （3-2）
图3.2 基本电路
为了进行零电压开关工作，必须在Ui 对输出电压采用这样的控制方式与电流谐振变换器一样，变为频率控制，在轻负载时必须考虑控制方法。 从上图可以看出，零电压准谐振变换器一个开关周期分为四个阶段：电容充电阶段、谐振阶段、电感放电阶段和自然续流阶段。t～t时段为电容充电阶段：在t之前，开关管VT导通，输入电流I通过VT续流，谐振电容电压为零。VD截止，谐振电容电压为零。 在t时刻，VT截止，输入电流C为其充电，由于C得电压时慢慢上升的，为VT截止提供了零电压关断的条件。C两端电压为 Uc(t)= (t－t) (3-4) a）电容充电阶段 b）谐振阶段 c） 电感放电阶段 d) 自由阶段 图3.3 四种等效电路 在t时刻，Uc上升到输出电压U，电容充电阶段结束，它的持续时间为 t＝ (3-5) t～t时段为谐振阶段：从t时刻起，VD开始导通，L、C谐振工作，谐振电感电流从0开始增加，电感电流I和电容电压U的表达式为 I（t）＝I [1－cos(t－t) ] (3-6) Uc(t)＝U＋IZsinw(t－t) (3-7) 经过约的谐振时间，谐振电感电流等于输入电流，谐振电容电压达到最大值 Uc＝U＋IZ (3-8) 此后，谐振电感电流I大于输入电流，C开始放电，使其开始电压下降。在t时刻，Uc下降到0，与VT反并二极管VD导通，将VT电压钳在零位，VT为零压导通。此时谐振电感电流为 I(t)＝I[1＋] (3-9) t～t时段为电感放电阶段：VT导通，输入电流通过VT，谐振电感两端的电压为- U，电感电流线性减小，既 I (t)＝I (t)－(t－t) (3-10) 在t时刻，电感电流降到零，由于VD得阻断作用，电感电流不能反向流动。电感放电的持续时间为： t＝ (3-11) t～t时段为自然续流阶段，谐振电感L和电容C停止工作，输入电流经过VT续流，负载由输出滤波电容提供能量。 3.2反激式变换器 3.2.1反激式变换器技术背景 1 两种形式 反激式变换器有两种不同形式，即非隔离反激式变换器和隔离反激式变换器。 为了避免名字上的混淆，特意画出上述两个电路。下面简单地介绍它们的工作原理。对非隔离反激式变换器来说，一个周期内的部分时间(D)，开关导通时，电压加于电感上，电流以某一斜率上升，并把能量存储在电感中。当开关关断的时候，电感电流经过二极管流向输出电容和负载。隔离反激式变换器的工作原理完全相似：开关导通时，能量存储于变压器原边的电感中，注意变压器的同名端，当开关关断时，漏极电压要高于输入电压，变压器副边电压高于地，使二极管导通，向输出电容和负载提供电源。非隔离反激式变换器只有一个输出电压(无法得到多个输出电压)。输出电压和输入电压没有隔离，输出电压不能比输入电压低——即使完全关断开关，输出电压只能等于输入电压(除去二极管的导通压降)。另一方面，如果你正需要只有一组输出且不用隔离的电源，那么非隔离反激式变换器只需要处理只有一个绕组的电感即可。隔离反激式变换器可以在变压器副边有多个绕组，方便地输出多组电压。各个输出电压都和原边隔离，而且各组输出电压可以任意大小，仅仅通过调节变压器的变比就能够实现。和非隔离反激式变换器相比，这时的磁芯元件已经是多个绕组的变压器了。 2 连续和断续 两种电路都可以工作于电流连续模式，也可工作于电流断续模式。一般地，虽然，反激式变换器需要能够在没有假负载的条件下空载工作(空载时，开关关断，直到输出电容被放电，然后再开通一个脉冲，这就是所谓“脉冲跳变模式”，也有其他类似的称法)。空载时，电路工作在电流断续模式。如前所说，由于变换器闭环控制方面的困难，最好不要改变电路的工作模式。反激式变换器最常见的工作模式是电流断续模式。 3 电容的 当反激式变换器的开关关断时，存储于原边电感中的能量从副边送出。由于副边没有电感，全部的峰值电流流入电容。功率很大时，很难找到可以处理很大电流纹波的电容器。首先要计算出电流的有效值，才能知道电容器是否能够处理这些纹波。以下例子可以说明这个问题：如果变换器输出电压为5V，电流为10A(这基本上是反激式变换器的极限，见以下内容)。在这个功率点上占空比为50％，变压器在半个周期里需要传递整个周期50W的能量(因为占空比为50％)。二极管导通时流过的电流比负载电流大一倍，变为20A。所以有效值为这么大的电流需要多个电解电容或钽电容并联才行，或者使用昂贵的MLC电容。反激式变换器输出电容损坏的主要原因是由于电容不合适。 4 输出功率 反激式变换器有一个最大变换功率问题，低输入电压时大约是50W。(或许你听说过有人做了500W的反激式变换器，但是没有听到这种变换器能够在生产线上批量生产。)在任何情况下，输出功率和电感是成反比的。为了得到大的输出功率，电感量就要取小(具体计算见第5章关于磁芯元件部分)。现在再来看50W的反激式变换器，在合适的开关频率下，电感量已经很小了(和分布参数差不多大小)。设计者很难在生产中保持这些参数的一致性。例如，磁芯元件供货商尺寸上微小的变化，将引起电感量的很大的变化，并可能导致无法输出最大功率。常识 低输入电压反激式变换器的功率为小于50W，如果是输入电压升高，这个50W值也可以增大。 3 .2.2反激式变换器的工作原理 单端反激变换器的电路拓扑如图 3.4 所示，根据电感储能情况，将其工作方式分为以下两种情况： (1)电感电流不连续模式(DCM)：在周期ton(原边开关管Q 导通)中，变压器中储存的所有能量在周期 T (原边开关管关断)中都转移到输出端，即原副边电感电流工作在断续模式。 (2)电感电流连续模式(CCM)：在周期ton 中，变压器中储存的能量未能完全释放，能保留到下一个周期(T)的开始，即原副边电感电流工作在连续模式。 图3.4 反激式变换器原理图 当开关管Q导通时，输出整流二极管受到反向电压的偏置而截止，变压器次级绕组中无电流流过。变压器初级绕组m上的电压K等于输入电压‰，变压器初级绕组中的电流在K的作用下，线性上升，变压器中存贮的磁场能量增加。当开关管Q截止时，变压器次级绕组N。两端的电压立即上升，当睁K时输出整流二极管D．导通，变压器存贮的磁场能量通过二级管D。向输出端释放。由次级折射到初级的电压为皆，7时‰。因此单端反激变换器，可以等效为如图2.6所示的Boost变换器。图中L为D。截止时，变压T的初级等效电感C。为输出等效滤波电容R。，为输出等效负载。 图3．5 单反激式变换器等效电路图 所以单端反激式变换器的输出电压与输入电压的关系为： 式中V为变换器等效输出电压。 得 这两种工作模式的小信号传递函数是极不相同的，动态分析时要作不同的处理。实际上，当变换器输入电压或负载电流在一个较大范围内发生变化时，必然跨越这两种工作模式，因此反激变换器常要求能在电感电流不连续和连续模式下都能稳定工作。但是，要求同一电路实现从一种模式方式转变为另一种工作模式，在设计上是较困难的。 3.2.3反激式变换器能量转换过程： 图3.4 中功率开关管Q 导通时，进行电能储存阶段。这时可把变压器看成一个电感，如图3.5 所示。 在图3.6中，当Q 导通时，原边电流ip 线性上升，其电流变化率为，中Ui 为变换器输入电压，Lp 为原边电感。磁芯内的磁感应强度将从Br 增加到工作峰值Bw。 当Q 关断，由于电感电流不能突变，原边电流会转换到副边，副边流二极管D 将导通，副边电流可由原副边绕组电流安匝数相等来计算。在副边二极管D 导通期间，副边电流逐渐下降到零，如图3. 所示。 图3．6 能量储存阶段等效电路图 图3 .7 能量储存阶段原边波形与磁化情况 图3.8 能量传送阶段等效电路图 图3.9 能量传送阶段原边电流波形与磁化情况 在二极管导通的时间内，磁芯磁通密度将从Bw 下降到剩余磁密Br。副边电流is 线性下降，此速率由副边电压和副边电感决定，即(’为副边绕组电压,Ls 变压器副边电感)。 （a）非连续状态下原边负边电流波形 （b）连续状态下原边负边电流波形 图3.10 原边的电流波形 其具体工作方式也可由图3.4 中的原副边电流曲线加以说明。其中ip是原边电流大小，是副边电流折算到原边电流的大小。在稳定状态下，压器中磁通增量Δφ 在“导通”时间内的变化必须等于在反激时间内的变化。 因此 （3-11） 其中为副边二极管导通时间，Np 为变压器原边绕组匝数，Ns 为变压器副边绕组匝数。从式(3-11)可以看出，如果磁通增量相等的工作点稳定建立时，变压器原边绕组每匝的伏秒值必等于副边绕组每匝伏秒值。 通过控制开关管的“通”占空比去调节原边峰值电流。然而开关管关断时，输出电压和副边匝数是恒定的，副边二极管导通时释放电感能量的时间须自我调节。 （a）磁芯气隙小 （ b）磁芯气隙大时 图3.9 气隙大小与传递能量的关系示意图 若ts 为变换器的一个工作周期，在临界时，如图3.8所示，副边电流在下一个“导通”时间前正好达到零，进一步增加占空比将引起变换器从电感电流不连续到连续方式的过渡。当这一系统进入到电感电流连续方式时，传递函数变为带有低输出阻抗的两个极点系统此时需要更多电能时，脉宽仅需略微的增加。在反激变换器中，变压器中原边电感在ton 周期储存能量，所以需要在变压器磁芯中加入气隙，使磁化曲线向H 轴倾斜，从而使变压器能传递更多地能量(见图3.9阴影部分的扩大)。而且，在传一定的能量要求下，可以把ΔB的取值变小一些( ΔB＜ΔB )。这样会引起一定的良性循环。因为一般变压器磁芯工作在60kHz 以上时，受到磁芯损耗的制约。当把磁通变化幅值减小为ΔB2 (参见图3.9(b))时，会引起磁芯损耗的降低。在同一磁芯下，还可以提高工作频率，进一步减小原边和副边中的电流。 一般来说，变换器传输的功率如下： （3-12） 式中 fs 为变换器的工作频率，Ve 为磁芯和气隙的有效体积。该功率图3.5 中B/H 曲线左边的阴影部分成正比；比较图3.5(a)、(b)可知，许多能量储存在气隙里。因为在气隙中有很大磁阻，因此气隙的大小将对传输功率产生很大的影响。如用电流表示输出的功率，则有 （3-13） 式中 Ip-min、Ip-max 为导通周期末、始端相应的原边电流值。 第4章主电路的设计及参数的确定方法 这个设计是关于传统的电压控制ZVS变换器的改进。通过将原有的无限占空比的电流型控制IC改变成固定关断时间、可控开通时间的电流控制方式，可构成ZVS拓扑。此外，应用谐振技术减少开关损耗的同时，还有过流保护和电流控制相应的优势。虽然它的工作频率不超过1MHZ，单身确实具备零开关损耗和第EMI辐射的优点因此越来越受到电源设计者的关注。但是由于它是工作在变频模式，因此导致诸多设计参数的不确定性。如何确定它的工作参数，成为设计这种变换器的关键，本章介绍了一种较为实用的确定方法。 近年来，一些著名的国际芯片供应商陆续推出了准谐振反激式变换器的控制IC，例如安森美的NCP1207、IR公司的IRIS40XX系列、飞利浦的TEA162X系列以及意法半导体的L6565等。正如这些公司宣传的那样，在传统的反激式变换器当中加入准谐振技术，既可以实现开关管的零电压开通，从而提高了效率、减少了EMI噪声，同时又保留了反激式变换器所固有的成本低廉、结构简单、易于实现多路输出等优点。因此，准谐振反激式变换器在低功率场合具有广阔的应用前景。但是，由于这种变换器的工作频率会随着输入电压及负载的变化而变化，这就给设计工作(特别是变压器的设计)造成一些困难。本章将从工作频率入手，详细阐述如何确定准谐振反激式变换器的几个主要设计参数：最低工作频率、变压器初级电感量、折射电压、初级绕组的峰值电流等。 4.1 主电路及其作用 主电路是处理和传输大功率的电路，对设备的电性能、效率、温升、可靠性、体积和重量等指标有决定性的作用，其要求如下： (1)在确定的输入直流电压变化范围内，能输出负载要求的变化范围的直流电压，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能达到最低输出电压等。 (2)输出负载要求的直流电流(范围)：能够输出足够的直流负载电流，并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下(例如，从空载到满载，即电流从0到最大)，设备能正常运行(例如，电压稳定、不损坏器件)。 (3)应满足输入侧与输出侧是否需要隔离、抑制纹波电压、抗干扰、效率和温升等要求。 4.2 准谐振反激式变换器的实现 1、如果不用固定的时钟来初始化导通时间,而利用检测电路来有效地“感测”MOSFET (VDS) 漏源电压的第一个最小值或谷值,并仅在这时启动MOSFET导通时间,情况又会如何？结果会是由于寄生电容被充电到最小电压,导通的电流尖峰将会最小化。这情况常被称为谷值开关 (Valley Switching) 或准谐振开关。在某些条件下,设计人员甚至可能获得零电压开关 (ZVS),即当MOSFET被激活时没有漏源电压。在这情况下,由于寄生电容没有充电,因此电流尖峰不会出现。这种电源本身是由线路/荷载条件决定的可变频率系统。换言之,调节是通过改变电源的工作频率来进行,不管当时负载或线路电压是多少,MOSFET始终保持在谷底的时候导通。这类型的工作介于连续 (CCM) 和间断条件模式 (DCM) 之间。因此,以这种模式工作的转换器被称作在边界条件模式 (BCM)下工作。 2、准谐振或谷值开关的优势在反激式电源设计中采用准谐振或谷值开关方案有着若干优势。降低导通损耗这种设计为设计人员提供了较低的导通损耗。由于FET转换具有最小的漏源电压,在某些情况下甚至为零,故可以减小甚至消除导通电流尖峰。这减轻了MOSFET的压力以及电源的EMI。 3、降低关断损耗,准谐振也意味着更小的关断损耗。由于规定FET会在谷值处进行转换,在某些情况下,可能会增加额外的漏源电容,以减低漏源电压的上升速度。较慢的漏源电压上升时间会减少FET关断时漏级电流和漏源电压之间的电压/电流交迭,使到MOSFET的功耗更少,从而降低其温度及增强其可靠性。 4、减少EMI导通电流尖峰的减小或消除以及较慢的漏源电压上升速度都会减少EMI。一般而言,这就允许减少EMI滤波器的使用数量,从而降低电源成本。 4.3准谐振反激式变换器 零电压开关准谐振反激式变换器的设计具有其自身的特殊性，它的关键参数的确定不但需要理论等式的计算，还需要实践经验的分析假定，当然也需要结合实际电路的波形对参数进行恰当的调整，只有这样，才能充分发挥准谐振反激式变换器的高效率、低EMI、小体积以及低成本的优势。 4.3.1准谐振反激式变换器结构 图4.1是准谐振反激式变换器的原理图。其中：LP为初级绕组电感量，L为初级绕组漏感量，RP是初级绕组的电阻，C是谐振电容由图4.1可见，准谐振反激式变换器与传统的反激式变换器的原理图基本一样，区别在于开关管的导通时刻不一样。图2是工作在断续模式的传统反激式变换器的开关管漏源极间电压VDS的波形图。这里VIN是输入电压，VOR为次级到初级的折射电压。由图2可见，当副边绕组中的能量释放完毕之后(即变压器磁通完全复位)，在开关管的漏极出现正弦波振荡电压，振荡频率由LP、CP决定，衰减因子由RP决定。对于传统的反激式变换器，其工作频率是固定的，因此开关管再次导通有可能出现在振荡电压的任何位置(包括峰顶和谷底)。可以设想，如果控制开关管每次都是在振荡电压的谷底导通，如图3所示，那么就可以实现零电压导通(或是低电压导通)，这必将减少开关损耗，降低EMI噪声。实现这一点并不困难，只要增加磁通复位检测功能(通常是辅助绕组来实现)，以便在检测到振荡电压达到最低点时打开开关管，就能达到目的。这实质上就是准谐振反激式变换器的工作原理，前文提到的几种IC均能实现这个功能。由此带来的问题是其工作频率是变化的，从而影响了其它设计参数的确定。 4.1 准谐振反激变换器电路 4.3.2准谐振反激式变换器工作原理 单端准谐振反激变换器的工作原理与工作在断续条件下的反激变换器类似，依据电感储能情况可以将其一个工作周期化分为三个工作模态，其中功率开关管Q 的电压Uds 在每个模态的波形如图4.2 所示 1 模态1：[t，t] 在t0 时刻，开关管Q 导通，电压Ui 加在原边电感Lp 两端（此时忽略电路内阻Rp 的影响），副边二极管D 截止，滤波电容向负载供电。原边电流ip 会线性上升，直到t1 时刻开关管Q 关断，此时电流ip 上升至Ip-peak，能量被存储在原边电感中，如果整个模态耗时ton，于是有： （4-4） 图4.2 准谐振反激变换器电压Uds 波形 2 模态2：[t，t] 在t1 时刻，开关管Q 关断，此时原边漏感Lk 会与寄生电容Cr 产生谐振，同时副边二极管D 开始导通，副边电感电流is 给输出滤波电容充电，同时向负载供电。在模态2 中，副边电感电流is 从Is-peak 线性减小到零，如果整个模态耗时t，于是有： （4-5） 若N 是原边副边的匝比，下式可以表示为： （4-6） 下式表示3 模态3：[t，t] 在t2 时刻，电感中的能量完全传送出去，副边电流下降到零，二极管截止，谐振开始。存储于谐振电容中的能量将流向原边电感，Cr，Lp 和Rp将构成一个RLC 谐振网络，开关管Q 漏源极电压会产生振荡，如图4.2所示。此模态vds 的值可以用 （4-7） 式中α 为振荡的衰减系数，α=。fr 为谐振频率。经过半个谐振周 期时间后( t = t =π)，v到达谐振的最低点Udsmin，表示为： Udsmin=U − NU (4-8) 可以看出如果NUo≥Ui，让开关管Q在t时刻导通，则开关就能实现零电压开通，如果NUo 着输入电压或者负载的变化而变化，如果P是变换器的输入功率，fs是变换 器工作频率，对于变换器有如下表达式： （4-9） 由式(4-1)～(4-9)可得： （4-10） 其中D 是变换器的占空比，改变占空比，就可以改变输出功率，而且，工作频率不受参数Lp 和Cr 的影响，频率随输入电压Ui 和输出功率Po 的改变而改变。这是因为如果输出功率增加时，必须在变压器储存更多的能量，导致了更长的磁化时间和去磁时间，并会降低频率。频率-输出功率特性如图4.3 所示，最低频率fmin 发生在最小输入电压Uimin 和最大输出功率Pomax的情况下。当然，在实际工作时最小频率必须高于音频范围(即大于20kHz)。 图4.3 准谐振反激变换器频率-功率特性 4.4设计参数的确定 4.1设计反激式变换器，通常需要确定以下参数： （a）fS：变换器的工作频率； （b）IPMAX：初级绕组的最大峰值电流； （c）VINMIN：最低直流输入电压； （d）LP：初级绕组电感量； （e）VOR：次级到初级的折射电压。 对于工作频率fS恒定的反激式变换器，以上参数可以通过输入输出指标以及选用的相关元器件等信息来确定，这个过程比较简单。但是，对于准谐振反激式变换器，上述过程就比较复杂，这是因为在准谐振模式下，工作频率fS是变化的，fS变化了，IPMAX和LP也就无法确定，整个设计似乎是无从下手，这正是本文所要解决的问题。首先详细分析一下准谐振反激式变换器的工作周期。图3是准谐振反激式变换器的MOSFET的漏极电压在一个工作周期内的波形。由图可见，准谐振模式的工作周期由三部分组成：TON、TOFF、TW。下面开始一一分析其工作过程。 当开关管导通时，初级绕组(感量为LP)有电流流动，这个电流将以斜率VIN/LP逐渐增大。当电流达到预定的最大值IP时，控制器将关断开关管。因此，开关管的导通时间TON可由等式(4-11)确定： (4-11) 开关管关闭后，存储在变压器中的能量将被传递到次级绕组。TOFF代表了次级绕组释放能量的过程，其值可由等式(4.2)确定： （4-12） 其中，LS：次级绕组电感量，IPS：次级绕组峰值电流，VOUT：输出电压，VDS：输出整流二极管的压降。 设变压器初次级绕组的匝比为N，即： (4-13) 则存在以下关系： （4-14） （4-15） （4-16） 将(4-4)、(4-15)、(4-16)式代入(4-12)式可得：． （4-17） 当次级绕组中的能量释放完毕之后，次级绕组将停止导通，初级绕组上的折射电压VOR也将消失。由于初级电感量LP和开关管漏极电容CP以及电阻构成一个RLC谐振电路，因此折射电压将按等式(4-18)变化： （4-18） 其中，a=RP/(2*LP)，是衰减因子， （4-19） 是谐振频率。由此可得开关管的漏极电压为： （4-20） 观察(4-20)式可知，当 （4-21） 时，VDS(t)具有最小值。解方程(4-11)可得： （4-22） 该值就是我们要求的 （4-23） 至此就可得出准谐振反激式变换器的一个完整工作周期为： （4-24） 则其工作频率： 另外，对于反激式变换器还存在以下的功率传递等式： （4-25） 式中：POUT为输出功率；η为变换器的效率。 对(4-25)式进行整理可得： （4-26） 将 (4-16)式代入(4-14)式整理可得： （4-27） (4-27)式中，PO和VIN是已知量，可由设计要求确定。效率η的经验值是0.8～0.9，对高电压输出取0.85～0.9，对低电压输出取0.8～0.85。这样，对于(4-27)式，要想解出IP的值，还必须确定VOR、CP、fS三个未知量，下面逐一进行分析。 1.VOR是次级到初级的折射电压。在传统统的反激式变换器中，它的取值与开关管的漏极击穿电压VDSS、最大输入直流电压VINMAX等参数有关。在准谐振模式下也是如此，稍有不同的是，在准谐振模式下，为了在尽可能大的范围内实现零电压导通，VOR总是希望取得大一些，因此通常会选用800V的MOSFET。可按(4-28)式确定VOR的大小： （4-28） 式中，ΔV为初级绕组的漏感LLEAK与开关管的漏极电容CP形成的尖 峰电压经验取值为0.2VDSS，则(4-18)式变为： 2.CP是开关管漏极对地的电容，属于谐振电容。它与初级绕组的漏感LLEAK形成第一个谐振电路，与初级绕组的电感LP形成第二个谐振电路。第一个谐振电路在开关管关断时产生尖峰电压，因此决定着开关管上的最高电压；第二个谐振电路决定着前文提到的TW。CP的确定可分两种情况，一是开关管的漏极没有额外增加电容，CP只包括MOSFET的漏源极间电容COSS和其它一些分布电容(注：此时电源系统要增加RCD箝位电路以抑制电压尖峰)。这种情况下，CP可用COSS来近似地表示。也许有人会提出，COSS会随MOSFET的漏源极间电压VDS的变化而变化，这该如何确定？实际上，不必为此担心，因为只有当VDS特别小时，COSS才会有显著的变化。如果我们取VDS=25V时的COSS，则不会有什么影响(大部分公司的数据手册中给出的COSS，大多是在V DS=25V的条件下测得的)。第二种情况是开关管的漏极额外增加了一个电容CD，此时CP包括CD以及COSS等杂散电容。CP可由(4-29)式来确定： （4-29） 其中，IP：初级绕组的峰值电流，LLEAK：初级绕组的漏感。 整理(4-29)式可得： （4-30） 工程中常取LLEAK=0.2*LP，将其代入(4-20)式可得： （4-31） 另外，对(4-15)式进行整理可得： （4-32） 将(4-22)式代入(4-21)式可得(4-23)式： （4-33） 按照(4-33)式得出的Cp，在较大输出功率(例如大于60W)的情况下，计算值可能偏大。当然，较大的Cp值可以很好地抑制开关管漏极的尖峰电压，但是Cp值过大，会使开关管在导通瞬间流过很大的尖峰电流，这个尖峰电流一方面会增加损耗，另一方面会形成EMI噪声，严重时甚至会引起控制芯片的误动作，影响系统的正常工作。在这种情况下，我们应采取折衷的方法，减小Cp的取值(一般可取100pF-2200pF之间的值)，同时使用RCD箝位电路来抑制开关管上的尖峰电压。这样做既可以减少开关管漏极分布电容的离散性对系统设计的影响，又可以避免产生过大的尖峰电流，同时对抑制开关管上的尖峰电压也有一定的好处。 3、fS是系统的工作频率对于准谐振模式，工作频率是变化的，在设计时，应该以最小的工作频率来确定其它相关参数，因此，fS在这里亦表示系统最小的工作频率。它的确定须从两方面考虑，一方面为了采用较小尺寸的变压器，必须提高fS；另一方面为了降低开关损耗以及减少EMI噪声，fS应取得小些。折衷考虑，通常取fS的范围是25KHz-50KHz。至此，三个未知量VOR、Cp、fS都得到了确定，将它们代入(4-26)式，就可得出Ip，再将Ip代入(4-25)式，就可得出Lp，确定了这些关键参数，下一步就可以设计变压器、输入回路、输出回路、反馈电路和保护电路等，这些设计过程与传统的反激式变换器的设计过程相同，这里就不再论述。 5章主电路参数的计算及器件的选择 5.1设计指标 输入电压范围：DCl8～32V，DC+24V(额定值) 输出电压：DC十15V 输出电流：0.5～1A 输出功率： 15W 最大峰值电流：4.6A 输入平均电流：0.7～0.926A 输出功率： 最大峰值电流： 输入平均电流: 5.2反激式变压器的设计： 其设计方法与其它类型的变压器不同。其设计参数主要有以下三项： （1）求出原变绕组电感量。 （2）选择规格、尺寸合适的高频变压器磁心。 （3）计算原边副边绕组匝数。 在电源的内部，变压器是唯一一个非表面安装元件，因为没有表面的磁芯可以大到支持15W的水平。虽然可以用环形的，但这里使用TDK公司的低造型磁芯，（EPC）公司的低造磁芯也可行。 5.2.1确定磁芯材料： 电源将工作在150～500kHz频率范围内，有两类磁心材料可以适用于这个频率范围。“F”、“3C8”和“HP”（不同制造厂商生产的类似材料）可工作在高达k800Hz。“N”、“3C85”和“HP”可以应用在兆赫范围而只有很小的磁心损耗。在这个应用中，采用HP材料（TDK）。 5.2.2 确定磁芯尺寸： TDK按磁芯在单管正激式变换器中能处理的工会功率大小分级。它的体积要求非常类似于反激式变换器。15W的EPC磁芯为EPCI7或更大的型号。这一体积的规格型号是：磁芯为PC40EPI7-Z；骨架为BER17-1111CPH和固定骨架夹为FEPCI7-A。 5.2.3 确定一次电感： 设定最大开通时间为7s，这种情况下出现在最小输入电压时，则一次电感将等于 气隙长度约等于： 这个气隙长度的磁芯的A约为55ni1／N。这里采用TDK的A并用下列公式计算匝数： 匝（取22匝） 二次绕组电感控制磁芯在断续模式运行时释放自身储存能量的速度。由于输入和输出电压在幅值上非常接近，可以11的匝比，这样对于相应的PWM系统来说，关断时间时3 s。这里取匝比为11的匝比，用双绕并线，以达到最高的耦合度。 匝 5.2.4线径 一次绕组： ≠20AWG或相当的导线，取≠24AWG3股 二次绕组： ≠20AWG或相当的导线，取≠24AWG3股 为防止混淆，使用两种不同的颜色的导线 5.2.5变压器绕线技巧： 一次和二次绕组导线在绕到骨架上之前要先绞在一起，将各绕组端部分开，并焊接包引脚上。将一层聚酯薄膜覆盖在外层，使其美观和安全。 5.3 谐振回路的参数的计算 谐振回路使准谐振开关电源独特的功能。因为开关电源由许多功率器件组成，这些器件都有寄生参数，谐振拓扑能够使这些令人烦恼的寄生参数在电源中发挥作用。设计者要知道寄生参数在那里，以及如何安排LC谐振回路，以利用这些参数。 谐振回路由电感、电容等无损元件构成。当电感和电容的交流阻抗相等，或总相位移等于零时，它的支路阻抗最低，改点的频率称为自然谐振频率。如果加在谐振回路上的信号的频率等于谐振频率，就会产生比这个激励信号大得多的电压，“放大”的倍数被称为Q值。他与谐振回路的阻尼或损耗的值成正比例。如果谐振回路受到瞬时尖峰或阶跃函数的作用，就会在自然谐振频率点“振荡”， 强迫输入信号在通过该电路时成为正弦波。 下面是对谐振回路参数初步的估算，因为现在还不可能预计实际电路所有寄生参数的影响。计算的回路参数值和控制IC的关断时间必须在调试时再调整。 首先，假定储存在LC谐振回路的能量时平均分配的，即 整理上式并解得谐振电容值为 欲谐振电容(C)上的尖峰电压小于100V，解得 （取0.02） 选择电源的最高工作频率为250kHz。轻载时，最大开通时间应在10％～15％之间。所以谐振频率也在250kHz左右，解得谐振电感为 5.4 输出滤波、整流的设计与选择 由于 输出整流器：选用二极管D4，选用型号为MBR360。 计算所需的输出滤波电容 = 取电容C。为47μF／DC 25V。采用高等级的钽电容，并与0．5μF陶瓷电容并联。 5.5 功率开关器件的选择 功率开关部分的主要作用是把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压。紧接在功率开关后的这一级可以用变压器把 交流波形升高或降低，最后由变换器的输出级把交流电压转换成直流。为了完成这个DC-DC变换，功率开关只工作在饱和与关断两种状态，这就可以使开关损耗尽可能小。 目前主要用到两种功率开关：双极性功率晶体管（BJT）和功率MOSFET。IGBT （绝缘极双极型晶体管）一般用在功率更大的工业场合，比如功率远大于1kW的电源和电动机驱动电路。与MOSFET相比，IGBT的关断速度比较慢，所以通常用在开关频率小于20kHz的情况。 所以结合本设计的技术指标开关器件选用功率MOSFET。 MOSFET是电压控制电流源。为了驱动MOSFET进入饱和区，需要在栅源极间加上足够的电压，以使漏极能流过预期的最大电流。栅源电压和漏极电压间的关系称作跨导，也就是。功率MOSFET通常分成两类：一类是标准的MOSFET。这种MOSFET的V大约为8～10V，以保证额定的漏极电流。MOSFET的关断速度很快，典型值是40～80ns。 5.5.1 主开关器件： 选择过程的第一步是确定所以MOSFET的最大R，通过热模型可以确定这个值，最大的R可由下式得到： 同时希望器件的散耗功率小于1W，根据有关参数计算选用型号为MTP25N10的MOSFET作为主开关器件。 5.5.2 定时电路功率器件的选择 在定时电容两端接一个小功率N沟道MOS-FET，它的栅极与主功率MOSFET的栅极相接，小功率MOSFET可选BSl70或2N7002。根据有关元器件数据手册以及约2μs的关断时间，定时元件电阻大约为15kΩ，电容为220pF。这些值在调试时还要进一步调整到与谐振回路的半周期相匹配。 第6章 控制、驱动及保护电路的设计 6.1 控制部分的设计 目前，市场上有很多集成电路（IC）可供选择。在设计过程中，要先确定要求IC芯片里集成什么，有什么功能。比如IC内部是不是要求集成功率开关、高电压的启动电路、软启动电路、同步电路等等。电源应用和发章、展促进了芯片功能的提高。 现在新的控制IC面向的市场应用场合比以前更狭小，通常尽可能减少封装的引脚数目来减小外围电路。这就严重IC的应用范围，也使控制IC的选择过程变的更加重要。 控制的主要目的就是要保持输出电压的一定，而负载电流可以有很大的变化范围，这就要通过负反馈来达到这个目的。所有的电源控制器，无论线性电源还是开关电源，都有检测输出电压。 选择控制IC及其重要，如果选择不正确，会使电源工作不稳定而浪费宝贵的时间。设计者要知道各种控制方法之间细微的差别。 最佳控制方法的选择 1 电压型控制： 电压型控制的显著特点就是误差电压信号被输入到PWM比较器，与振荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号脉宽增大或减小。要识别是不是电压型控制IC，可以先找到RC振荡器，然后看产生的三角波是不是输入到比较器，并与误差电压信号进行比较。 2 电流型控制 一般使用在电流波形的线性坡度很大的拓扑中，如Boost、Bucu-Boost、和反激式电路等升压式拓扑。 电流型控制方法是控制流过功率开关管的峰值（有时是最小值）电流的漂移点来实现的，这也等效于磁心的磁通密度的偏移量。从本质上说，是调节磁心的一些磁参数来实现的。电流型控制最常见的是“定时开通”的方法，由固定频率的振荡器给触发器置位，由快速电流比较器给触发器复位。触发器状态为“1”是功率开关导通。 电流比较器的阀值是由电压误差放大器输出给定的，如果电压误差放大器显示输出电压太低时，电流门槛值就增大 ，使输出到负载的能量增加。反之也一样。 当开关电源以其高效率、小体积等优点获得广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉冲宽调制（PWM）技术，而近年电流型PWM技术得到飞速发展。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。电流型PWM集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用。电流型PWM集成控制小功率电源已取代电压型PWM控制小功率电源。美国Unitrode公司推出的UC384X系列控制芯片是电流控制器的典型代表。此IC 具有引脚少(8 脚)、外接元件少、接线简单、可靠性高、成本极低等优点。通常用于单端反激式变换器，输出功率在100W 以下。所以结合本设计的实际情况选用电流型UC3842控制IC’ 6.2 UC3842结构和功能介绍 6.2.1 该芯片主要有以下性能: （1）可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比; （2）最高开关频率可达500kHz; （3）带锁定的PWM，可以实现逐个脉冲的电流; （4）具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定; （5）图腾柱输出电路能够提供大电流输出，输出电流可达1A，可直接对MOSFET 进行驱动; （6）带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在闭值电压附近工作时的振荡; （7）起动电流和工作电流低，启动电流小于1mA，正常工作电流为15mA。 6.1 UC3842管脚连接图(俯视图) 各管脚名称: （1）脚是误差放大器的输出端。 （2）脚是反馈电压输入端。 （3）脚是电流检测输入端。 （4）脚为定时端。 （5）脚为公共地端。 （6）脚为输出端。 （7）脚是正电源端。 （8）脚为5V基准电压输出端，有50mA负载能力。 下图为UC3842的内部结构简化图 6.2 UC3842内部结构简图 管脚功能及作用 （1）补偿脚，外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频率。 （2）反馈脚，将采样电压加到误差放大器的反向输入端，再与同向输入端的基准电压2.5V电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲宽度。 （3）电流传感端，在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻，构成过流保护电路。当电源电压异常时，功率管的电流增大，当采样电阻上的电压超过1V是，UC3842就停止输出，有效地保护了功率管。 （4）脚为锯齿振荡器外部定时电阻R与定时电容C的公共端。 （5）脚为地。 （6）为图腾柱式输出电压，当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通，为功率管的关断提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速了功率管的关断。 （7）脚外接工作电源，为UC3842内电路提供工作电压。 （8）脚为参考输出，它经过电阻R向电容C提供充电电流。 6.2.2 UC3842的工作描述 1 振荡器 振荡器频率由定时元件R和C选择值决定。电容C由5.0V的参考电压通过电阻R充电，冲至2.8V，在由一个内部的电流缩放电至1.2V。在C放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生了一个数量可控的输出静区时间。UC3842内部有一个触发器，它通过保持“或非”门的一个输入为高电压，每隔一个时钟周期关闭一次输出。这与C的放电周期相结合，使输出静区时间可以从50%调节至70%。图6.3为R与振荡器频率关系曲线，图6.4为输出静区时间与频率关系曲线，它们都是在给定的C值时得到的。尽管许多R与C的组合都可以得到相同的振荡频率，但只有一种组合可以得到在一个给定频率下的特定输出静区时间。 在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定至外部系统时钟上，这可通过将时钟信号加到图6.5所示电路来完成。为了可靠的锁定，振荡器自振频率应设为比使之时钟频率低10%左右。 6.3定时电阻与振荡频率关系曲线 2 误差放大器 提供一个有可访问反向输入和输出的全补偿误差放大器。次放大器具有90dB的典型直流电压增益和具有57度相位余量的1.0MHz的增益等于1带宽（图6.5）同向输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为-2，它将导致输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。 误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿。输出电压因两个二极管降压而失调（1.4V），并在连接至电流取样比较器的反向输入之前比三分。这将在管脚1处于其最低状态时（V）反馈,保证在输出（管脚6）不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载被取消时，或者在软启动过程的开始。最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流（0.5mA）和到达比较器的1.0箝位电平所需的输出电压（V）。 6．4输出静区时间与振荡频率关系曲线 6.5振荡器的置复位 3 电流取样比较器和脉宽调制锁存器 UC3824作为电流模式控制器工作，输出开关的导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出／补偿（管脚1）建立的门限电平时终止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器脉宽调制所存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串连的以地为参考取样电阻R转换成电压。此电压由电流取样输入（管脚3）监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感由管脚1上的电压控制，其中： = 当电源输出过载或者如果输出电压取样丢失是，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将比内部箝位至1.0V。因此最大峰值开关电流为： 当设计一个大功率稳压器时为了保持R的功耗在一个合理的水平上希望降低内部箝位电压。调节此电压的简单方法如下所示。使用了两个外部二极管来补偿内部二极管，以便在温度范围内有固定箝位电压。如果箝位电压下降过多将导致由于噪声拾取而产生的误操作。 通常在电流波形的前沿可以观察到一个窄尖脉冲，当输出负载较轻时，它可能会引起电源不稳定。这个尖脉冲的产生是由于电源变压器匝间电容和输出整流管恢复时间造成的。 在电流取样输入端增加一个RC滤波器，使它的时间常数接近尖脉冲的持续时间，通常将消除不稳定性。 4 欠压锁定 采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出极被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源（V）和参考输出（V）各由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止通过它们各自的门限是产生分别为：UC3842(16V／10V)，V比较器高低门限为3.6V／3.4V。大滞后和小启动电流使得UC3842特别适合于需要有效的自举启动技术的离线变换应用中。一个36V的齐纳二极管作为并联稳压管，从V连接至地。它的作用是保护集成电路免受启动期间产生的过高电亚破坏。最小工作电压（V）：UC3843为10V。 5 输出 这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载时，它能提供达+1.0A的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升、下降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌模式，这个特性使外部的下拉电阻不再需要。 SO-14贴片封装为Vc（输出电压）和电源地提供了分离的管脚，恰当地应用可以显著地减小加到控制电路的开关瞬态噪声，这在降低箝位电平时特别有用。分离的Vc电压输入允许设计者在于Vcc而调节驱动电压时具有更多灵活性。当在Vcc大于20V的系统中驱动功率MOSFET时，典型情况下在该输入端连接一个齐纳箝位管。 6 参考电压 5.0V带隙参考电压在T=25C时调整误差至+1.0%，它首要的目的时为振荡器定时电容提供充电电流。参考部分具有短路保护功能并能向附加控制电路供电超过20mA的电流。 图6.5内部详细结构图 7 设计考虑因素 不要试图在绕线式或插入式样板上构建变换器。必须使用高频电路布局技术防止脉宽抖动。这通常由于加在电流取样或电压反馈输入上的过量噪声拾取所致。噪声抑制性可通过降低在这些点的电路阻抗来增加。印制电路板布局应包括有小电流信号的接地面而大电流开关和输出地线通过分离路径返回输入滤波电容器。根据电路布局可能会需要瓷介旁路电容（0.1F）直接连接值Vcc、Vc和Vref。 这提供了滤除高频声的低阻抗路径。所有的大电流回路应当尽可能短，使用粗铜箔以降低辐射电磁干扰。误差放大器补偿电路和变换器输出分压器应当离集成电路近一些，并尽可能远离功率开关和其它产生噪声的原件。 6.3 驱动及保护 1．由于UC3842的6管脚是单图腾柱输出级，是专门设计用来驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载时，它能提供达+1.0A的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升、下降时间，可直接驱动MOSFET功率管，前面已经描述的非常详细。这里将不再重复。 2．同样管脚3为电流传感端，在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻，构成过流保护电路。当电源电压异常时，功率管的电流增大，当采样电阻上的电压超过1V是，UC3842就停止输出，有效地保护了功率管。既过流保护。 3.UC3842采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出极被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源（V）和参考输出（V）各由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止通过它们各自的门限是产生分别为：UC3842(16V／10V)，V比较器高低门限为3.6V／3.4V。大滞后和小启动电流使得UC3842特别适合于需要有效的自举启动技术的离线变换应用中。一个36V的齐纳二极管作为并联稳压管，从V连接至地。它的作用是保护集成电路免受启动期间产生的过高电亚破坏。最小工作电压（V）：UC3843为10V。它具有欠压保护功能。 6.4 设计电压负反馈 电压反馈还唯一的功能就是使输出电压保持在一个固定值。但考虑负载瞬态响应、输出精度、多路输出、隔离输出等方面，电压反馈的设计就变得很复杂了。上述每一个方面都很棘手，但如果掌握了设计方法，这些方面都可以很容易地得到解觉。电压反馈环的核心部分是一个称作误差放大器的高增益运算放大器，这部分仅是个高增益的放大器而已，它把两个电压的误差放大，并产生电压误差信号。在电源系统中，这两个电压一个是参考电压，而另一个是输出电压。输出电压在输入到误差放大器之前先进行分压，分压的比例为电压参考值与额定输出电压的比值。这样，在额定输出电压时，误差放大器产生一个“零误差” 点。如果输出偏离额定值，放大器的输出误差电压就会明显地改变，电源系统用该误差电压来校正脉宽，从而使输出电压额定值 。本设计按上述要求进行设计电压负反馈还，由于电路参数要求 使用1.0mA的的检测电流，使得电压检测电阻分压器。由两个阻值不同的电串联阻组成，阻值分别为： 上电阻 R==Ω （6-1） 为12.5k（取12.4kΩ，l％) 下电阻 R （6-2） 为2.5kΩ（取2.49kΩ、1％） 上电阻上端直接接在输出正端，下电阻下端接输出的地。中点引线接控制IC的反馈端（即误差放大器的反向输入端）它与内置的同向输入端基准2.5V电压做比较然后经误差放大器放大引入脉宽调制锁存器控制输出占空比，最终实现控制开关器件导通时间的目的。一保证电源稳定。 6.5 设计反馈环补偿 负反馈环是所有线性电源的核心部分，它使用电源的输出电压保持恒定。为了实现这一功能，采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的误差。从理论上讲，采用极高增益的反向放大器就行了。但实际上应用存在负载变化、输入电压突然升高或降低的情况，要求误差放大器对这些变化有相当快的响应，并且不会因此而产生震荡。这样就使问题变得复杂多了。因为电源功率部分的响应相对而言比较缓慢，如果误差放大器对变化的响应很慢，会使电源系统出现震荡。所以反馈设计就成了确定电源系统中误差放大器的响应速度和反馈深度问题。 零电压准谐振电源通常频率随着电源电压和负载的变化而发生4倍的改变，由于这种改变，估计最低开关频率为80kHz。可以用这个值来估算补偿量。即使工作在变频状况，电流型反激式变换器的控制到输出特性曲线还是单极点的，所以应采用单极一零点补偿方法。滤波器极点、ESR零点和直流增益等于 （6-3） （额定负载（1A）时） （6-4） （轻负载（0.5A）时） （6-5） 穿越频率应小于，既＜＜16 （6-6） 设为10kHz 为使穿越频率的增益为0,补偿网络的增益为： = 补偿误差放大器零点设在最低的滤波器极点上，既 （6-7） 已知+5V电压检测分压器的上电阻值（R=12.4k） （6-8） （6-9） 以上参数即是构成反馈补偿的电容，电感参数。 第7章 仿真 根据实际电路或系统建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和实验，以达到研制和开发实际电路或系统的目的，这一过程，称为电路仿真。由于有高效、高精度、高经济和高可靠性的优点，倍受人们的喜爱。目前，在市面上出现各种电路仿真软件，有Matlab、EWB、PRO TEC和PSPICE等软件中。本设计将采用EWB仿真软件。 7.1 软件简介 随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。 电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点： （1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取； （2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 （3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。 （4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 （5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。 因此非常适合电子类课程的教学和实验。这里，我们向大家介绍EWB软件的初步知识，基本操作方法，内容仅限于对含有线性RLC元件及通用运算放大器电路的直流、交流稳态和暂态分析。 7.2 Electronics Workbench 软件界面 1．EWB的主窗口 2元件库栏 3指示器件库 4信号源库 5仪器库 6基本器件库 7二极管库 7.3Electronics Workbench 基本操作方法 １．创建电路 （１）元器件操作 元件选用：打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。 元件的移动：用鼠标拖拽。 元件的旋转、反转、复制和删除：用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。 元器件参数设置：选定该元件，从右键弹出菜单中选Component Properties可以设定元器件的标签（Label）、编号（Reference ID）、数值（Value）和模型参数（Model）、故障（Fault）等特性。 说明：①元器件各种特性参数的设置可通过双击元器件弹出的对话框进行； ②编号（Reference ID）通常由系统自动分配，必要时可以修改，但必须保证编号的唯一性； ③故障（Fault）选项可供人为设置元器件的隐含故障，包括开路（Open）、短路（Short）、漏电（Leakage）、无故障（None）等设置。 （２）导线的操作 主要包括：导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。 连接：鼠标指向一元件的端点，出现小园点后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小园点后松开鼠标左键。 删除和改动：选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete 。或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。 说明：①连接点是一个小圆点，存放在无源元件库中，一个连接点最多可以连接来自四个方向的导线，而且连接点可以赋予标识； ②向电路插入元器件，可直接将元器件拖曳放置在导线上，然后释放即可插入电路中。 （3）电路图选项的设置 Circuit/Schematic Option对话框可设置标识、编号、数值、模型参数、节点号等的显示方式及有关栅格（Grid）、显示字体（Fonts）的设置，该设置对整个电路图的显示方式有效。其中节点号是在连接电路时，EWB自动为每个连接点分配的。 ２、使用仪器 （１）电压表和电流表 从指示器件库中，选定电压表或电流表，用鼠标拖拽到电路工作区中，通过旋转操作可以改变其引出线的方向。双击电压表或电流表可以在弹出对话框中设置工作参数。电压表和电流表可以多次选用。 （２） 数字多用表 数字多用表的量程可以自动调整。下图是其图标和面板。 其电压、电流档的内阻，电阻档的电流和分贝档的标准电压值都可以任意设置。从打开的面板上选Setting 按钮可以设置其参数。 （３）示波器 示波器为双踪模拟式，其图标和面板如下图所示。 其中： Expand ---- 面板扩展按钮； Time base ---- 时基控制； Trigger ---- 触发控制；包括 ①Edge ---- 上（下）跳沿触发 ②Level ---- 触发电平 ③触发信号选择按钮：Auto（自动触发按钮）；A、B（A、B通道触发按钮）；Ext（外触发按钮） 号，其图标和面板如下图所示。可调节方波和三角波的占空比。 X（Y）position ---- X（Y）轴偏置； Y/T、B/A、A/B ---- 显示方式选择按钮（幅度/时间、B通道/A通道、A通道/B通道）； AC、0、DC ---- Y轴输入方式按钮（AC、0、DC）。 （４）信号发生器 信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信 ３、原件库中的常用器件 EWB带有丰富的元器件模型库，在电路分析软件实验中要用到的元件及其参数的意义如下。 （１） 信号源 （２）基本元件 激磁电感LM 初级绕阻电阻RP 次级绕阻电阻RS 0.001H 5H 0 0 断开时间Toff 0S pS—S 对于一些没有包括在元器件库内的元器件，可以采用自己设定的方法，自建元器件库和相应元器件。 EWB自建元器件有两种方法：一种是将多个基本元器件组合在一起，作为一个"模块"使用，可采用下文提到的子电路生成的方法来实现；另一种方法是以库中的基本元器件为模板，对它内部参数作适当改动来得到，因而有其局限性。 若想删除所创建的库名，可到EWB的元器件库子目录名"Model"下，找出所需删除的库名，然后将它删除。 ５、子电路的生成于使用 为了使电路连接简洁，可以将一部分常用电路定义为子电路。方法如下：首先选中要定义为子电路的所有器件，然后单击工具栏上的生成子电路的按钮或选择Circuit/Create Subcircuit命令，在所弹出的对话框中填入子电路名称并根据需要单击其中的某个命令按钮，子电路的定义即告完成。所定义的子电路将存入自定义器件库中。一般生成的子电路仅在本电路中有效。要应用到其它电路中，可使用剪贴板进行拷贝与粘贴操作，也可将其粘贴到（或直接编辑在）Default.ewb文件的自定义器件库中。以后每次启动EWB，自定义器件库中均自动包含该子电路供随时调用。 ６、帮助功能使用 EWB提供了丰富的帮助功能，选择Help/Help Index命令可调用和查阅有关的帮助内容。对于某一元器件或仪器，"选中"该对象，然后按F1键或单击工具栏的帮助按钮，即可弹出与该对象相关的内容。建议充分利用帮助内容。 ７、基本分析方法 （1）直流工作点的分析 直流工作点的分析是对电路进行进一步分析的基础。在分析直流工作点之前，要选定Circuit/Schematic Option中Show nodes（显示节点）项，以把电路的节点号显示在电路图上。 （2）交流频率分析 交流频率分析即分析电路的频率特性。需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处于交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。 （3）瞬态分析 瞬态分析即观察所选定的节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。在对选定的节点作瞬态分析时，一般可先对该节点作直流工作点的分析，这样直流工作点的结果就可作为瞬态分析的初始条件。 7.4电路仿真 1．仿真的步骤为： （1） 输入原理图，在工作区放置元件的原理图符号，连接导线，设置元件参数；（2） 放置和连接测量仪器，设置测量仪器参数； （3） 启动仿真开关，在仪器上观察仿真结果。 2、仿真实例 在电路工作区输入如下图电路。其中包含一个直流电压源，一个电流型控制集成芯片UC3842，两个电感，两个电容，一个二极管，一个 MOSFET功率管。如图连接示波器和电压表。 图7-1 图7-2 2小结： 1、 用EWB进行模拟仿真电路，仿真过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。对电力电子技术中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能就用于多级的组合电路。 2、 软件不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件, 还提供了各种丰富的调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。可以在任意组合的实验环境中，搭建实验。可用常规的调试方法如测量各点电压、电流，波形等来调试和测量电路。对于较大规模的电路，可分级接线和调试。通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装。因此也适用于较大型的设计性仿真。 3、 EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数改变对电路的影响。学生可结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于对加深对理论理解。特别是一些实验条件较差的大中专院校和广播电视大学的基层工作站，通过这样的计算机模拟仿真实验，把电子技术的理论教学和实验教学有机地结合了起来。为电子电路实际制作打下一个良好的基础。 4、为开放及远程教育提供了一个很好的学习课件。学生可在网上进行电子技术的仿真实验甚至可进行大型的专题作业和课程设计，应用这样的仿真实验课件进行网上电子技术理论学习、仿真实验、网上习题、和网上答疑 总 结 近年来，DC-DC开关变换器以其转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻、灵活的正负极性和升降压方式等优点，广泛应用于电子产品中，如笔记本电脑移动电话、寻呼机、PDA等。总体上，开关变换器的发展趋势为：高频化技术、软开关技术等。 准谐振变换器是一种非线性开关电路，其分析、控制一直是功率电子学专家所关注的重点。本文针对零电压准谐振电流型控制反激式变换器的设计及分析作了一定的研究，主要工作及研究结论可以总结为： 1．对零电压开关准谐振变换器的建模基础进行了研究。针对四种基本的开关变换器拓扑结构，对系统的工作原理及稳态直流分析进行了解。 2．对反激式变换器的工作原理及输出波形及控制方式进行了解。并对其设计方法进行了深入研究。 3．投入和精力了解电流型控制集成芯片的工作原理及其具体在电路中的应用方法，特别是对UC384X系列芯片的功能及使用方法有深入的了解。比。 4．花费大量时间进行了全电路的仿真，由于使用的EWB软件中缺少主要器件，并没有把全电路的输出波形及相关波形仿出结果。 尽管本文做了大量工作，取得了一点设计成果，对对零电压准谐振变换器、反激式变换器系统的设计与仿真具有相当的参考价值，但是仍有许多不足，有待迸一步地完善与发展。 总之，软开关变换器电路的分析、设计与仿真是非常重要的，也是一件很不容易的事，对开关变换器的发展起到相当大的促进作用。从目前的研究情况来看，还有很多工作要做。如何在高的仿真效率的前提下，获得高的求解精度，并且能够反映开关变换器电路的真实工作情况，从而对其进行深入的研究与分析，将是一个长期的课题。 致 谢 本文是在指导老师张巍的悉心指导下完成的，字里行间无不浸透着他的心血和汗水。在本次毕业设计的三个月中，从论文的选题、研究方案的制定、实验电路的设计制作，直到论文的写作和最后完稿，都倾注了张老师大量的心血。他严谨的治学作风、渊博的专业知识、一丝不苟的工作态度，给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，并将永远激励着我努力工作和学习。在此特向张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢在本次毕业设计中帮助过我的同学们，在共同的学习生活中给予我的方方面面的帮助! 在多年的学习生活中，得到父母和家人始终如一的全力支持和无私奉献，他们的关心和照顾使我能够坚持并完成学业。感谢家人和好友的支持和鼓励! 最后衷心感谢各位尊敬的评委老师在百忙中抽出宝贵的时间评审我的论文! 参考文献 [1].Brown,Marty,Laying Out PC Boards for Embedded Switching Supplies,Electronic Design,December 6 1999 [2].徐德鸿.电力电子系统建模及控制.北京：机械工业出版社，2006 [3].赵广林.新型电源集成电路应用手册.北京：电子工业出版社，2006 [4].王增福 李旭 魏永明.软开关电源原理与应用.北京：电子工业出版社，2006 [5].[日]户川治朗.实用电源电路设计：从整流电路到开关稳压器.北京：科学出版社，2006 [6].陈建业编著.电力电子电路的计算机仿真.北京：清华大学出版社，2003 [7].钱振宇.开关电源的电磁兼容性设计与测试.北京：电子工业出版社，2005 [8].汪 军 孟庆大 陈辉明 25KW/250KHZ高频感应加热电源.农机化研究，2006.4 [9].谭克俊 栾秀珍 王维刚 中频加热系统IGBT控制、驱动及保护电路设计.现代电子技术，2002.11 附录 电路图 Power supply design and classification process Power can be divided into two categories: the power to issue and transform energy electricity power. Send electricity from the power source of power is talking about, it has the AC, DC, high pressure, low pressure, thermal power, hydropower, nuclear power, wind power, solar power divided many ways, by mechanical, thermal, chemical energy such change comes. In many cases, this power supply can not meet people's use requirements, the need for a change, it was called "coarse power." The issue of exposure to power up the power is provided by public power grid. Grid power supply from power plants, power generation power plants at present are mainly thermal power, hydropower, nuclear power generation in several varieties. When the thermal energy into electricity, hydropower is the mechanical energy (potential energy of water) is converted to electricity, nuclear power is the nuclear energy into electricity, in addition to wind power, solar power and other renewable energy power generation. Transform electrical energy supply is to meet the requirements of the use of power as a starting point, according to different requirements and characteristics of the use of electricity on the power to issue a change. This transformation is to convert one form of energy into a form of energy, it can be change between AC and DC, it can be voltage or current amplitude of the transform, or alternating current frequency, phase and so transform. The other, the transformation of this energy form can increase the stability of power supply or other performance improvements, some people have this power as "fine power." Soft-switching power supply input and output are electrical energy, it belongs to transform electrical energy supply. The power supply assumes a very unique role within a typical system. In many respects, it is the mother of the system. It gives the system life by providing consistent and repeatable power to its circuits. It defends the system against the harsh world outside the confines of the enclosure and protects its wards by not letting them do harm to themselves. If the supply experiences a failure within itself, it must fail gracefully and not allow the failure to reach the system. Alas, mothers are taken for granted, and their important functions are not appreciated. The power system is routinely left until late in the design program for two main reasons. First, nobody wants to touch it because everybody wants to design more exciting circuits and rarely do engineers have a background in power systems. Secondly, bench supplies provide all the necessary power during the system debugging stage and it is not until the product is at the integration stage that one says “Oops, we forgot to design the power supply!” All too frequently, the designer assigned to the power supply has very little experience in power supply design and has very little time to learn before the product is scheduled to enter production. This type of situation can lead to the “millstone effect” which in simple terms means “You designed it, you fix it ( forever).” No wonder no one wants to touch it and, when asked, disavows any knowledge of having ever designed a power supply. 1.1 Power Design Flow In order to produce a good design, many questions must be asked prior to the beginning of the design process. The earlier they are asked the better off you are. These questions also avoid many problems later in the design program due to lack of communication and forethought. The basic questions to be asked include the following. From the marketing department 1. From what power source must the system draw its power? There are different design approaches for each power system and one can also get information as to what adverse operating conditions are experienced for each. 2. What safety and radio frequency interference and electromagnetic interference (RFI/EMI) regulations must the system meet to be able to be sold into the target market? This would affect not only the electrical design but also the physical design. 3. What is the maintenance philosophy of the system? This dictates what sort of protection schemes and physical design would match the application. 4. What are the environmental conditions in which the product must operate? These are temperature range, ambient RF levels, dust, dirt shock, vibration, and any other physical considerations. 5. What type of graceful degradation of product performance is desired when portions of the product fail? This would determine the type of power busing scheme and power sequencing that may be necessary within the system. From the designers of the other areas of the product 1. What are the technologies of the integrated circuits that are being used within the design of the system? One cannot protect something, if one doesn’t know how it breaks. 2. What are the “best guess” maximum and minimum limits of the load current and are there any intermittent characteristics in its current demand such as those presented by motors, video monitors, pulsed loads, and so forth? Always add 50 percent more to what is told to you since these estimates always turn out to be low. Also what are the maximum excursions in supply voltage that the designer feels that the circuit can withstand. This dictates the design approaches of the cross-regulation of the outputs, and feedback compensation in order to provide the needs of the loads. 3. Are there any circuits that are particularly noise-sensitive? These include analog-to-digital and digital-to-analog converters, video monitors, etc. This may dictate that the supply has additional filtering or may need to be Syn chronized to the sensitive circuit. 4. Are there any special requirements of power sequencing that are necessary for each respective circuit to operate reliably? 5. How much physical space and what shape is allocated for the power supply within the enclosure? It is always too small, so start negotiating for your fair share. 6. Are there any special interfaces required of the power supply? This would be any power-down interrupts, etc., that may be required by any of the product’s circuits. This inquisitiveness also sets the stage for the beginning of the design by defining the environment in which the power supply must operate. This then forms the basis of the design specification of the power supply. 1.2 Power System Organization The organization of the power system within the final product should complement the product philosophy. The goal of the power system is to distribute power effectively to each section of the entire product and to do it in afashion that meets the needs of each subsection within the product. To accomplish this, one or more power system organization can be used within the product. For products that are composed of one functional “module” that is inseparable during the product’s life, such as a cellular telephone, CRT monitor, RF receiver, etc., an integrated power system is the traditional system organization. Here, the product has one main power supply which is completely self-contained and outputs directly to the product’s circuits. An integrated power system may actually have more than one power supply within it if one of the load circuits has power demand or sequencing requirements which cannot be accommodated by the main power supply without compromising its operation. For those products that have many diverse modules that can be reconfigured over the life of the product, such as PCB card cage systems and cellular telephone ground stations, etc., then the distributed power system is more appropriate. This type of system typically has one main “bulk” power supply that provides power to a bus which is distributed throughout the entire product. The power needs of any one module within the system are provided by smaller, board-level regulators. Here, voltage drops experienced across connectors and wiring within the system do not bother the circuits. The integrated power system is inherently more efficient (less losses). The distributed system has two or more power supplies in series, where the overall power system efficiency is the product of the efficiencies of the two power supplies. So, for example, two 80 percent efficient power supplies in series produces an overall system efficiency of percent. The typical power system can usually end up being a combination of the two systems and can use switching and linear power supplies. The engineer’s motto to life is “Life is a tradeoff” and it comes into play here. It is impossible to design a power supply system that meets all the requirements that are initially set out by the other engineers and management and keep it within cost, space, and weight limits. The typical initial requirement of a power supply is to provide infinitely adaptable functions, deliver kilowatts within zero space, and cost no money. Obviously, some compromise is in order. 1.3 Selecting the Appropriate Power Supply Technology Once the power supply system organization has been established, the designer then needs to select the technology of each of the power supplies within the system. At the early stage of the design program, this process may be iterative between reorganizing the system and the choice of power supply technologies. The important issues that influence this stage of the design are: 1. Cost. 2. Weight and space. 3. How much heat can be generated within the product. 4. The input power source(s). 5. The noise tolerance of the load circuits. 6. Battery life (if the product is to be portable). 7. The number of output voltages required and their particular characteristics. 8. The time to market the product. The three major power supply technologies that can be considered within a power supply system are: 1. Linear regulators. 2. Pulsewidth modulated (PWM) switching power supplies. 3. High efficiency resonant technology switching power supplies. Each of these technologies excels in one or more of the system considerations mentioned above and must be weighed against the other considerations to determine the optimum mixture of technologies that meet the needs of the final product. The power supply industry has chosen to utilize each of the technologies within certain areas of product applications as detailed in the following. Linear Linear regulators are used predominantly in ground-based equipments where the generation of heat and low efficiency are not of major concern and also where low cost and a short design period are desired. They are very popular as boardlevel regulators in distributed power systems where the distributed voltage is less than 40VDC. For off-line (plug into the wall) products, a power supply stage ahead of the linear regulator must be provided for safety in order to produce dielectric isolation from the ac power line. Linear regulators can only produce output voltages lower than their input voltages and each linear regulator can produce only one output voltage. Each linear regulator has an average efficiency of between 35 and 50 percent. The losses are dissipated as heat. PWM switching power supplies PWM switching power supplies are much more efficient and flexible in their use than linear regulators. One commonly finds them used within portable products, aircraft and automotive products, small instruments, off-line applications, and generally those applications where high efficiency and multiple output voltages are required. Their weight is much less than that of linear regulators since they require less heatsinking for the same output ratings. They do, however, cost more to produce and require more engineering development time. High efficiency resonant technology switching power supplies This variation on the basic PWM switching power supply finds its place in applications where still lighter weight and smaller size are desired, and most importantly, where a reduced amount of radiated noise (interference) is desired. The common products where these power supplies are utilized are aircraft avionics, spacecraft electronics, and lightweight portable equipment and modules. The drawbacks are that this power supply technology requires the greatest amount of engineering design time and usually costs more than the other two technologies. The trends within the industry are away from linear regulators (except for board-level regulators) towards PWM switching power supplies. Resonant and quasi-resonant switching power supplies are emerging slowly as the technology matures and their designs are made easier. To help in the selection, summarizes some of the trade-offs made during the selection process. 1.4 Developing the Power System Design Specification Before actually designing the power system, the designer should develop the power system design specification. The design specification acts as the performance goal that the ultimate power supply must meet in order for the entire product to meet its overall performance specification. Once developed, it should be viewed as a semi-firm document and should only be changed after the needs of the product formally change. When developing the design specification, the power supply designer must keep in mind what is a reasonable requirement and what is an idealistic requirement. Engineers not experienced in power supply design often will produce requirements on the power supply that either will cost an unnecessary fortune and take up too much space or will be impossible to meet with the present state of the technology. Here the power supply designer should press the other engineers, managers, and marketers for compromises that will prompt them to review their requirements to decide what they can actually live with. The power system specification will be based upon the questions that should previously have been asked of the other departments involved in defining and designing the product. Some of the requirements can be anticipated to grow, such as the current needed by various subsystems within the product. Always add 25 to 50 percent to the output current capabilities of the power supply during the design process to accommodate this inevitable event. Also, the space allocated to the power system and its cost will almost always be less than what will be finally required. Some negotiations will be in order. Since the power system is a support function within the product, its design will always be modified in reaction to design issues within the other sections of the product. This will always make the power supply design the last circuit to be released for production. Recognizing and addressing these potential trouble areas early in the design period will help avoid delays later in the program. 1.5 A Generalized Design Approach to Power Supplies: Introducing the Building-block Approach to PowerSupply Design All power supply engineers follow a general pattern of steps in the design of power supplies. If the pattern is followed, each step actually sets the foundation for subsequent design steps and will guide the designer through a path of least resistance to the desired result. This text presents an approach that consists of two facets: first it breaks the power supply into distinct blocks that can be designed in a modular fashion; secondly, it prescribes the order in which the blocks are to be designed in order to ease their “pasting” together. The reader is further helped by the inclusion of typical industry design approaches for each block of various applications used by power supply designers in the field. Each block includes the associated design equations from which the component values can be quickly calculated. The result is a coherent, logical design flow in which the unknowns are minimized. The approach is organized such that the typical inexperienced designer can produce a “professional” grade power supply schematic in under 8 working hours, which is about 40 percent of the entire design process. The physical design, such as breadboarding techniques, lownoise printed circuit board (PCB) layouts, transformer winding techniques, etc., are shown through example. The physical factors always present a problem, not only to the inexperienced designer, but to the experienced designer as well. It is hoped that these practical examples will keep the problems to a minimum. All power supplies, regardless of whether they are linear or switching, follow a general design flow. The linear power supplies, though, because of the maturity of the technology and the level of integration offered by the semiconductor manufacturers, will be presented mainly via examples. The design flow of the switching power supplies, which are much more complicated, will be covered in more detail in the respective chapters dealing with the selected power supply technology. The generalized approach is as follows. 1. Select the appropriate technology and topology for your application. 2. Perform “black box” approximations knowing only the design specification requirements. This results in estimates of semiconductor power losses, peak currents and voltages. It may also indicate to the designer that the chosen topology is inappropriate and a different choice is necessary. It also allows the designer to order any semiconductor samples that may be required during the breadboarding phase of the program. 3. Design the power supply schematically, guided by the design flowcharts. 4. Build the breadboard using the techniques outlined in the physical layout and construction sections in the text. 5. TEST, TEST, TEST! Test the power supply against the requirements stated in the design specification. If they do not meet the requirements, some design modifications may be necessary. Make “baseline” measurements so that you can measure any subsequent changes in the power supply’s performance. Conduct tests with the final product connected to the supply to check for unwanted interactions. And by all means, begin to measure items related to safety and RFI/EMI prior to submitting the final product to the approval bodies. 6. Finalize the physical design. This would include physical packaging within the product, heat sink design, and the PCB design. 7. Submit the final product for approval body safety and RFI/EMI testing and approval. Some modifications are usually required, but if you have done your homework in the previous design stages, these can be minor. 8. Production Release! It all sounds simple, but the legendary and cursed philosopher, Murphy, runs wild through the field of power supply design, so expect many a visit from this unwelcome guest. 1.6 A Comment about Power Supply Design Software There is an abundance of software-based power supply design tools, particularly for PWM switching power supply designs. Many of these software packages were written by the semiconductor manufacturers for their own highly integrated switching power supply integrated circuits (ICs). Many of these ICs include the power devices as well as the control circuitry. These types of software packages should only be used with the targeted products and not for general power supply designs. The designs presented by these manufacturers are optimized for minimum cost, weight, and design time, and the arrangements of any external components are unique to that IC. There are several generalized switching power supply design software packages available primarily from circuit simulator companies. Caution should be practiced in reviewing all software-based switching power supply design tools. Designers should compare the results from the software to those obtained manually by executing the appropriate design equations. Such a comparison will enable designers to determine whether the programmer and his or her company really understands the issues surrounding switching power supply design. Remember, most of the digital world thinks that designing switching power supplies is just a matter of copying schematics. The software packages may also obscure the amount of latitude a designer has during a power supply design. By making the program as broad in its application as possible, the results may be very conservative. To the seasoned designer, this is only a first step. He or she knows how to “push” the result to enhance the power supply’s performance in a certain area. All generally applied equations and software results should be viewed as calculated estimates. In short, the software may then lead the designer to a result that works but is not optimum for the system. 1.7 Characteristics and Classification of Switching Power Supply Switching power supply, is the power supply circuit power conversion devices for work in the off state, which is based on the linear regulator power generated. Switch work in hard switching condition, because switching is not an ideal device, the opening of the voltage when the switch is not immediately drop to zero, but there is a decline in time, while its current is not immediately rise to the load current, also has a rise time. During this time, there is a current and voltage overlap area, resulting in loss, which we call tube off losses. Therefore, switch switch jobs to be created off opening loss and loss, we call turn-off losses. Under certain conditions, the switch-to-opening loss to generate and off loss, collectively referred to as switching loss. In certain conditions, the switch in each switching cycle switching loss is constant, the total converter switching losses and switching frequency in direct proportion to the higher switching frequency, the greater the switching losses, the lower the converter efficiency. The existence of switching losses limit the converter switching frequency increase, thus limiting the hungry, smaller and lighter converter Soft-switching power supply technology for the transformation can be divided into the following categories: (1) full resonant converter, commonly known as resonant converters. Class is actually loaded resonant converter converter, in accordance with the resonant components resonant divided into serial resonant converter and parallel resonant converter types. Resonant circuit in accordance with the load and the connection of the resonant converter can be divided into two categories: One is to link the load resonant converters; the other is parallel loaded resonant converter. In the resonant converter, resonant components resonant work has been involved in the whole process of energy transformation. The converter and the load close, very sensitive to load changes, the general use of frequency modulation. (2) quasi-resonant converters and multi-resonant converter. Resonant converter is characterized by this type of device involved in energy transformation at a certain stage, not the whole process of participation. Divided into: zero-voltage quasi-resonant converter and zero-current quasi-resonant converter. Multi-resonant converter and the general realization of zero-voltage switching switch. (3) zero-switching PWM converter. It can be divided into zero-voltage zero-current PWM converter and PWM converters. Such converter is based on adding a QRCs auxiliary switch to achieve control of resonant components resonant process, to achieve constant frequency control. (4) zero conversion PWM converter. Are the characteristics that aid is only resonant circuit when the main switch switch work for some time to realize the soft switch control switch, other times to stop working. (5) soft-switching active clamp converter. The switch in the switching power supply clamp circuit in parallel, inhibit the voltage stress on switch. When the switch is turned off can absorb surge energy, the switch turns on, can absorb the energy fed into the grid. (6) generalized soft opening PWM converter. It absorbs the network in order to reduce switching losses, so that switch voltage and current in the switching process in the area of overlap decreases significantly reduced switching losses, it was called the generalized soft-switch technology. 译文 电源设计流程及其分类 电源大致可分为两类：发出电能的电源和变换电能的电源。发出电能的电源是从电源的源头说起的，它有交流、直流、高压、低压、火力发电、水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电诸多方式之分，是通过机械能、热能、化学能等转换而来的。在很多情况下，这种电源难以满足人们的使用要求，需要进行一次变换，有人称之为“粗电”。 人们接触最多的发出电能的电源是公用电力网提供的电源。电力网电源来自发电厂，目前发电厂的发电方式主要有火力发电、水力发电、核能发电等几种形式。火力发电时把热能转化为电能，水力发电是把机械能（水的位能）转换为电能，核能发电是把核能转化为电能，此外，还有风力发电、太阳能发电等可再生能源发电方式。 变换电能的电源是以满足人们使用电源的要求为出发点的，根据不同的使用要求和特点对发出电能的电源进行一次变换。这种变换是把一种形态的电能转换成为一种形态的电能，它可以是交流电和直流之间的变换，也可以是电压或电流幅值的变换，或者是交流电频率、相位等变换。另一方，这种电能形态的变换可以是电源的稳定度提高或对其他性能的改进，有人把这种电源称之为“精电”。 软开关电源输入和输出都是电能，它属于变换电能的电源.电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上，可以看成是系统的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量。使系统免受外部的侵扰，并防止系统对其自身作出伤害。如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障。 然而，电源如此重要的作用并没有得到应有的重视。在设计一个系统时，电源总是首先被搁置在一边，直到设计最后才考虑电源的问题。出现这种现象的原因主要有两个，第一，没有人愿意接触这个东西，因为所有人都想设计更能令人振奋的电路，并且拥有电源方面专门知识的工程师很少；第二，在系统调试阶段，一般由通用电源提供系统所需的电能，只有在产品集成的时候才会有人说：“啊呀，我们忘记了设计电源了！”很多时候，指派来设计电源的人在电源设计方面却只有很少的经验，并且在产品投产前，只有很少的时间去学习电源设计。 这种情况可以导致“永久的影响”。简单说，就是“谁设计，谁修理”。难怪没有人愿意接触电源设计，不愿意接受电源设计的任务。 1.1电源设计流程 为了得到一个好的设计，在开始设计以前，必须首先提出很多问题。问题越早被提出来，越有利于后边的设计。同样，这些问题的提出可以避免在设计后期遇到很多难题，这些难题可能是由于缺少交流和预见性而产生的。一些基本的问题包括如下： 从市场角度考虑 1． 需要提供给系统何种形式的电源？对于每个电源系统来说，有很多种不同的设计方法。对应每种方法，都有哪些不利的工作条件。 2． 如果在市场上出售，系统必须满足何种安全规程和射频干扰/电磁干扰（RFI/EMI）标准？这不仅将影响电气方面的设计，还会影响结构设计。 3．系统的维护要求是什么？这将决定采取何种保护措施和结构设计，以满足应用设计。 4．产品的工作环境是什么？包括温度范围、环境射频（RF）水平、灰尘、湿度、冲击、振动以及其他物理条件。 5．当产品的一部分发生故障时，产品性能的降额程度是多少？这将决定电源供电结构和保护策略，对于系统来说，这是非常必要的， 从产品其他部分的设计者角度考虑 1．在设计的系统中，所用到的集成电路技术是什么 ？如果不知道它们是如何损坏的，那么也就不能采取有效的措施对其进行保护。 2．负载电流的最大和最小极限值是多少？负载电流是否存在冲击性的特征，例如发动机、视频监视器、脉冲负载等。经验表明，估计值往往要比实际情况低一些，所以常常需要在估计值的基础上再加50%的裕量。同时还需要知道的是电路能够承受的电源电压最大波动是多少。这决定了输出交叉调节和反馈补偿的设计策略，从而满足负载的要求。 3．系统中是否包含对噪声尤其敏感的电路？它们包括数模转换器、模数转换器、视频监视器等等。这表明电源也许需要额外的滤波措施或者电源的开关频率需要与某些敏感电路的工作频率同步。 4．电源的各部分电路是否需要以一定的先后顺序投入运行，以实现电源的可靠工作？ 5．在整个装置里，分配给电源的空间有多大以及时何种形状？一般来说，这部分空间很小，所以应该为电源争取合理的空间。 6．系统对于电源是否有特殊的接口要求？其中包括故障中断等，几乎所有的电路都有这个需要。 这些问题详细说明了电源的工作环境，为开始设计打下了良好的基础，也是构成电源设计规范的基础。 1.2电源结构 最终产品中的电源结构必须满足产品规范。电源系统的作用是将能量有效地分配给产品中的各个部分，并能够满足其需要。要实现这样的目标，在产品中可以采用一个或多个的电源系统结构。 对于那些由一个功能模块组成，并且在使用过程中不可分的产品，例如移动电话、阴极射线管（CRT）监视器、无线电接收器等等，传统的方法是采用集中电源系统。这里，产品包含一个集中电源，并直接输出给产品的各个部分。实际上，一个集中电源系统内部往往包含多路电源输出，从而满足负载需要电源供电或满足供电先后顺序的要求。 对于那些由不同的模块组成，并且在使用过程中可以重新装配的产品，比如印制电路板（PCB）板卡笼型结构。移动电话机站等等，选用分布电源系统更为合适。这种类型的系统包含一个主电源，它将能量提供给母线，并由母线分配给产品各个部分。每个部分所需要的电能由小型的板载电源模块提供。这样，在系统的连接器及供电线上的电压降就不会影响到各个部分电路供电电压的质量。 集中电源系统显然具有较高的效率。分布电源系统由两级或多级串联而成，整个电源系统的效率是两级或多级电源变换效率的乘积。例如两级电源变换效率均为80%，电源串联以后整个系统的效率是%。 典型的电源系统往往是这两种的结合，并可能同时采用开关电源和线性电源两种技术。 工程师的座右铭是：“生活是一种折中”，这句话在这里能够得到体现。设计一个能够完全满足其他领域的工程师和管理者要求的电源系统几乎是不可能的，这里的要求包括了成本、空间以及重量。理想的电源能够满足各种应用要求，功率密度为无穷大，同时成本趋于零。显然，实际情况需要作出折中的选择。 1.3选择适用的电源技术 一旦电源系统的结构被确定下来，设计者接下来要做的是为系统中的每一路电源选择适用的技术。在设计的初期阶段，这个过程也许会在选择供电系统结构和电源技术之间反复进行。影响这个阶段设计的主要因素是： 1．成本。 2．重量和尺寸。 3．在产品内部会有多少热量产生。 4．输入电源特性。 5．负载的噪声容限。 6．电池寿命。 7．需要输出电压的组数极输出特性。 8．产品投向市场的时间。 在电源系统中经常考虑的三种常用电源技术是： 1．线性电源。 2．脉宽调制（PWM）开关电源。 3．高效率的谐振开关电源。 以上技术都有各自的优势，需要综合考虑上面提及的各种因素，权衡利弊，才能决定满足最终产品需要的最优技术。电源行业已经将以上每一种技术成功地应用到一定的产品领域，下面进行详细的叙述。 线性电源 线性电源主要应用在对发热和效率要求不高的应用场合，或者要求低成本及实际周期短的情况。线性电源作为为板载电源广泛应用于分布电源系统中，特别是当配电电压低于40V时。对于离线式产品，在线性电源的前一级必须能够提供于交流电源可靠的电隔离。线性电源的输出电压只能低于输入电压，并且每个线性电源只能产生一路输出。线性电源的效率在35%~50%之间。损耗以热的形式消散。 PWM开关电源 PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活性。我们可以在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表、离线式产品中发现它们的踪影，它们通常应用于要求高效率和多组电源电压输出的场合。开关电源的重量要比线性电源轻的多。因为对于相同的输出功率，开关电源的散热器要小的多。但是开关电源的成本较高，而且需要较长的开发周期。 高效率的谐振开关电源 高效率的谐振开关电源由基本的PWM开关电源演变而来。它主要应用于需 要电源具有更轻的重量和更小的体积，并且对电磁噪声（干扰）有严格要求的场合。通常应用于航空电子设备、航天电子设备、便携式设备及模块电源。谐振开关电源的缺点是需要更要的开发周期，并且比其他两种电源的成本要高。 除作为板载电源外，线性电源正逐渐从工业界淡出，朝着开关电源方向发展。随着谐振或准谐振开关电源技术逐渐成熟，它们的设计也变得越来越容易。 1.4 了解电源系统设计指标 在正式开始设计电源以前，设计者必须首先确定电源系统设计指标。设计指标作为电源最终必须达到的性能目标，使得电源所服务的整个产品达到整体性能要求。一旦电源系统设计指标确定后，就不可随意更改，只有在产品的需求发生重大变动时，才能对它进行修改。 在确定设计指标时，电源设计者必须首先弄明白什么事合理的需求，以及什么是理想化的需求。不懂电源的工程师提出的电源指标要求往往是成本太高、体积太大，或者不能满足目前技术的需要。电源设计者应该要求其他工程师、管理人员、市场人员充分考虑他们所提出的技术指标要求是否符合实际情况。 电源系统的技术指标基于问题而确定，这些问题一开始是由那些与产品设计相关的其他部门提出来的。可以预计一些指标会发生变化比如各个子系统中所需的电流。在设计过程中，常常需要给电源的输出电流增加25%-50%的裕量，以解决这些不可避免的需求增长。同时，分配给电源系统的空间和成本总会比所需的要小，所以协商时不可避免的。因为电源系统是产品的支柱，它的设计会随着产品其他部分设计的变化而作出更改。这使得在一个产品中，电源总是在最后被设计出来。在设计初期，意识到这些潜在的困难，将有助于在计划后期避免时间上的延迟。 1.5常规的电源设计方法：介绍一种模块化的电源设计方法 所有的电源设计者在设计电源时，都遵循一种普遍的模式。按照这种模式，每一步的设计实际上是为下一步的设计打下基础，并指导设计者以最小的工作量达到既定的目标。本书介绍一种包含两个步骤的设计方法：首先，它将电源分割成几个功能块，这些功能块可以用模块化的方法设计；第二，它描述了如何按照顺序将模块设计出来，并且能够简化后面的组合过程。对于每个模块不同的应用场合，书中列出了一些电源设计者经常采用的典型工业设计方法，可以进一步帮助理解。每个模块都包含了相关的设计公式。从这些公式里，可以很快地计算出元器件的参数。这是一个连贯的、合理的设计流程，未知量是最少的。这种方法经过合理的组织，即使是没有经验的设计者也可以在很快的时间内设计一个“专业”水准的电源简图，它占整个设计过程40%的时间。一些物理设计，如实验电路的构建、低噪声的PCB布置、变压器绕线技术等，在整个例子里也有都有介绍。由于一些物理因素的存在，总会产生一些问题，这不仅仅是针对没有经验的设计者，对于经验丰富的设计者，也有同样的问题出现。希望这些实用的例子能够有助于将问题减少到最低程度。所有的电源，不管它是线性的，还是开关的，总是遵循一般的设计流程。由于半导体工业技术的成熟和集成水平的提高，线性电源主要通过例子介绍。开关电源的设计流程相对而言复杂一些。一般的方法如下： 1. 为产品选择一个合适的技术和拓扑。 2．根据设计指标和要求，完成电源“黑箱”的近似估计。估算包括半导体器件的功率损耗、峰值电流和电压，并且可以告诉设计者所选择的拓扑是否合理，以及是否有必要进行其他的选择。同时读者可以申请得到在电路试验阶段所需的半导体产品。 3. 按照设计流程图，一步步地设计电源。 4. 用书中结构布局和设计部分所介绍的技术搭建电路试验般。 5. 试验，试验，再试验！测试电源是否符合设计指标要求。如果不能满足要求，需要对设计作一些修改。做一些“在线”测试，这样就可以知道这些修改对电源性能的影响。将产品接到电源，并对其进行传导测试，以防止任何交互影响的产生。正式将产品提交到批准机构以前，一定要测出与安全标准和PFI/EMI相关的数据。 6. 确定物理结构设计，包括产品的物理包装.散热片的设计及PCB设计。 7. 对最后的产品作RFI/EMI测试，以得到真实批准，这里可能需要作一些改动。但是如果你已经在前面的设计步骤中做了这些工作，那么这些都是次要的。 8．产品发布。 1.6对电源设计软件的一点评论 目前有大量基于软件的电源设计工具，尤其是针对PWM开关电源设计。很多软件是由半导体开发出来的，并且针对他们自己研制的开关电源集成电路。这些集成电路包含了电源的驱动和控制线路。这种类型的软件包只能有针对性地设计产品，但是不适用与一般的电源设计。由这些公司提供的设计在成本、重量、设计时间方面做了优化，并为他们制造的电源集成电路设计了外围电路。 电路仿真公司提供了一些比较常用的开关电源设计软件包。但是必须谨慎对待这些基于软件的开关电源设计工具。设计者应该对软件得出的结果和由设计公式得出的结果进行比较，这种比较可以让设计者确定这些公司是否理解了开关电源的设计。记住，大部分设计数字电路的工程师认为设计一个开关电源只是复制电路图而已。 在电源设计过程中，软件包模糊了设计者的水品差异。为了使产品的应用范围尽可能的广泛，这些软件得到的结果是非常保守的。对于经验丰富的设计者，这只是第一步。他知道怎样在一定范围内优化结果，以提高电源的性能。所有适用的公式和软件结果只能是估计值。总而言之，软件只能引导设计者得到一个可以工作的结果，但是对于系统来说，不是最优的。 1.7 开关电源的特点及其分类 开关电源，就是电源电路中的功率变换器件工作在开关状态，它是线性稳压电源的基础上产生的。开关管工作在硬开关状态，由于开关不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立刻下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之为管断损耗。因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，我们称之为关断损耗。在一定条件下，开关管工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在了变换器开关频率的提高，从而饿变换器的小型化和轻量化。 1.8软开关电源的变换技术以便可分为以下几类： （1）全谐振变换器，一般称之为谐振变换器。该类变换器实际是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串连谐振变换器和并联谐振变换器两类。按照负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两块类：一类是串连负载谐振变换器；另一类是并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系密切，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方式。 （2）准谐振变换器和多谐振变换器。这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一阶段，不是全过程参与。分为：零电压准谐振变换器和零电流准谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。 （3）零开关PWM变换器。它可分为零电压PWM变换器和零电流PWM变换器。该类变换器是在QRCs的基础上加入一个辅助开关管，来实现控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制。 （4）零转换PWM变换器。他的特点是辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，其它时间停止工作。 （5）有源钳位软开关变换器。在开关电源的开关管上并联钳位电路，可抑制开关管上的电压应力。在开关管关断时可以吸收浪涌能量，在开关管导通时，能将吸收的能量馈入电网。 （6）广义软开PWM变换器。它吸收网络以减少开关损耗，使开关管电压和电流在开关过程中交叠的面积减小，大幅度降低开关损耗，有人 称之为广义软开关技术。下载本文
４、元器件库和元器件的创建于删除 元件名称 参数 缺省设置值 设置范围 电阻 电阻值R 1kΩ Ω—MΩ 电容 电容值C uF pF—F 电感 电感值L 1mH uH—H 线性变压器 匝数比 (初级/次级)N漏感LE 2 开关 键 Space A—Z,0-9,Enter,Space 延迟开关 导通时间Ton 0.5S pS—S
