基于Multisim 10的高品质开关稳压电源的设计与仿真

图1-1调宽式开关电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说, 其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度, 脉冲越宽,

其直流平均电压值就越高。其中在:U0=Um×T1/T式中, Um为矩形脉冲的最大电压值; T为矩形脉冲周期, T1为矩形脉冲宽度。因此, 当Um与T不变时, 直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样, 只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄, 就可以达到稳定电压的目的。 1.2.2开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

(1) 高可靠。开关电源比线性电源使用的元件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及散热单元等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温，减少器件的电应力，降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MFBF高达100万小时以上；

(2) 模块化。无论AC/DC还是DC/DC变换器都朝模块化方向发展，其特点是可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能告诉更换模块插件；多个模块并联可以实现大功率电源系统。此外还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量； (3) 低噪声。开关电源的一大特点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声； （4）抗电磁干扰（EMI）。当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线随其他电子设备产生干扰，世界各国已有抗EMI的规范和标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日显重要；

(5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20 kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

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1.2.3开关电源的基本原理

开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关稳压电源具有， 效率高， 输出功率大， 输入电压变化范围宽， 节约能耗等优点， 而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压， 通常有三种调制方式: 脉冲宽度调制( P W M ) 、脉冲频率调制( P F M )和混合调制。P W M调制是指开关周期恒定， 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式， 因为周期恒定， 滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。开关稳压电源的主回路框图如图1-2 所示， 由隔离变压器产生一个1 8 V的交流， 经过整流滤波成一个直流， 然后再进行D C - D C 变换， 有P W M 的驱动电路， 去控制开关电源管的导通和截止， 而产生出一个稳定的电压源，如图1-2。

图1-2

1.3 开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。这是采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用。发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断的增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。

常见的开关稳压电源分类方法有下列几种： （1）按激励方式划分 a.他激式

电路中专设激励信号产生的振荡器 b.自激式

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开关管兼作振荡器中的振荡管 （2）按调制方式划分

a.脉宽调制

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小。有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。 b.频率调整型

占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。 c.混合型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。 （3）按开关管电流的工作方式划分

a.开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方波。 b.谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦方波电路形式是类是与它激式 （4）晶体管的类型划分 a.晶体管型

采用晶体管作为开关管 b.可控硅型

采用可控硅作为开关管。这种电路的特点是直接输入交流电不需要一次整流部分。 （5）负载的连接方式划分

a.串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间。

b.并联型

储能电感并联在输入与输出之间。 （6）按晶体管的连接方式划分

a.单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管。这种电路的特点是价格低、电路结构简单，单输出功率不能提高。

b.推挽式 使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。 c.半桥式

使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。

d.全桥式

使用四个开关晶体管。将其连接成全桥式。它的特点是输出功率较大。 （7）按输入与输出电压的大小划分

a.升压式

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输出电压比输入电压高。实际上就是并联型开关稳压电源。 b.降压式

输出电压比输入电压低。实际上就是串联型开关稳压电源。 （8）按工作方式划分 a.可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关，可由交流市电电网直接供电，也可采用变压器变压后供电。（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角，依靠调节导通角的大小，可达到天界输出电压和稳定输出电压的目的。

b.斩波型

斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的直流输出电压。电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调节开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护也是依据这一部分所提供的取样信号来进行的。

c.隔离型

这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量传递，没有电流间的直接流通。隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，在经过变压隔离器、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出点取样，经放大器后反馈到开关控制器，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。 （9）按电路结构划分 a.散件式

整个开关稳压电源电路都是采用分立式元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性差。

b.集成电路式

整个开关稳压电源或电路的一部分是由集成电路组成的。这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括可开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节方式。储能电感的连接方式、开关管的器件类型以及串并联的结构等各不相同，但是他们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

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