串联开关稳压电源梯度渐进设计方案及仿真

许少娟,刁立强,于海霞

(大连理工大学 城市学院,辽宁 大连 116600)

模拟电子电路课程设计是电气类专业学生学完大学物理、模拟电子电路理论及实验后的综合设计,本文研究的串联型开关稳压电源是其中的一个设计题目,学生在进行该题目设计时,由于未能透彻理解电路的工作原理、缺乏复杂电路调试经验等原因,往往困在某个步骤无法解决导致设计失败。本文在设计和调试时采用梯度渐进方案对任务分解,降低了调试难度,并借助Multisim软件仿真演示了完整的调试过程,以期为相关教学提供一些参考。

1 设计要求和参数

用三极管作为开关管,设计一个串联型开关稳压电源,输入电压为12 V,存在上下2 V的波动,要求输出电压7 V,纹波电压小于100 mV,电感纹波电流小于150 mA。设计电路,计算参数,完成Multisim仿真并在面包板上搭建调试。

2 设计方案和工作原理

设计要求输入电压高于输出电压,故应设计降压型开关稳压电源。降压型开关电源的原理图见图1,包括BUCK变换器和闭环控制电路两部分[1]。只有深入理解了电路的工作原理才能预知各模块的输出特性,进而对电路进行分解、调试和分析,因此熟知电路工作原理是设计和调试电路的必要前提。

图1 降压型开关稳压电源原理图

2.1 BUCK变换器

图1中BUCK变换器又称降压变换器,是一种对输入电压进行降压变换的直流斩波器,其输出电压低于输入电压。电感L、电容C构成LC滤波器[2],由于受控开关SW输出信号在两个电平间不断切换,存在大量高频谐波,LC滤波器可以将其滤除。开关SW断开时会产生巨大的峰值电压,二极管VD为开关断开瞬间的电流提供一条通路,起到续流作用。

2.2 闭环控制电路

在实际电路中,输入电压、负载都存在一定的波动,这些因素会导致输出电压的波动,因此要加入反馈形成闭环回路以保证输出电压稳定[3]。闭环控制电路由反馈电路、误差放大器以及PWM调制器(脉宽调制器)组成,如图1所示。引入电压负反馈调节驱动方波的占空比,由反馈电路引导PWM调制器自动调整开关通断时间从而调节输出电压。

2.3 工作原理

3 设计及调试方案

本电路结构相对复杂,对整体电路进行设计和调试有一定难度。例如开关管电路涉及具体元件选取、电路结构设计和参数选定,在高频工作状态还要考虑开关管的延迟特性等诸多因素,增加了设计难度[4]。对于实践经验不足的学生,解决这些问题需要花费大量精力去查阅资料、论证方案,在教师难以及时指导的情况下,极有可能卡在某个环节造成设计过程停滞,从而打击学生的积极性[5]。鉴于此,本文采取模块分解、替代方案等手段对电路调试过程重新进行设计[6],形成一种梯度渐进设计方案,如图2所示。

图2 梯度渐进设计方案

一阶:系统划分。根据功能将电路划分为BUCK变换器和闭环控制电路两部分,每一部分再具体划分,先分别调试每个模块,调试无误后再将各模块逐一连接调试,这样才易于确定哪部分电路出了问题。本阶段目标是熟悉各单元模块的特性和预期输出情况。

二阶:替代方案调试简化设计。在一阶基础上分析各单元电路的预期输出信号,据此设计替代方案。部分信号先借助仪器产生,例如基准电压用稳压源替代产生,三角波、驱动方波用信号发生器替代产生;部分单元电路先采取替代方案进行调试,例如开关管电路用模拟开关代替,可以大幅降低调试难度,让学生直观观察到电路现象,从整体上理解和把握系统的控制关系。

三阶:替代方案具体设计。对采取替代方案的单元模块设计具体实现电路,调试后接入电路进行整体联调。在该阶段,由于主体部分已经调试完成,待设计单元电路目标很明确,学生压力小了很多,可以全心投入、各个击破。

采取梯度渐进方案对任务分解,将繁杂的设计任务按需分配到不同阶段,循序渐进,每个阶段都有明确的阶段目标,更易于取得相应的进展和收获[7]。鉴于软件仿真不确定因素少、元件和仪器不受物理条件限制、测试结果直观[8],本电路调试过程以Multisim仿真形式呈现,对实际电路调试同样具有参考意义[9]。

4 梯度渐进方案仿真调试

4.1 系统划分

根据梯度渐进设计方案进行系统划分、单元模块分解,得到整体仿真电路如图3所示。电路划分为BUCK变换器和闭环控制电路,其中BUCK变换器分为滤波电路和开关管两部分,闭环控制电路分为取样电路、误差放大器、PWM调制器三部分。根据题目对输出电压、纹波电压、电感纹波电流等指标的要求,参考相关文献计算[10],滤波电感和电容分别取25 mH、20 uF,至于续流二极管等器件的参数计算和选型本文不作详细介绍,侧重进行调试方案的设计。

图3 替代方案整体仿真电路

4.2 替代方案设计及调试

根据梯度渐进方案思想进行替代方案设计。BUCK变换器部分,受控开关SW先用Multisim模拟开关替代,再采用三极管实现,且模块调试时,驱动方波uB先用信号发生器产生,整体联调时再接入PWM调制器提供的驱动方波;闭环控制部分,误差放大器采用差分放大电路,其基准电压UREF先用基准电压源替代,再用稳压二极管电路实现;PWM调制器采用电压比较器,其三角波发生电路先用信号发生器替代,再用具体电路实现,反馈电压UO先用基准电压源替代,再由取样电路实现。

在此基础上即可按梯度渐进方案对电路进行分步调试。为体现电路工作情况且便于理解,本文按照电路闭环中信号流动的方向进行调试,以BUCK变换器为起点,按“BUCK变换器-误差放大器-PWM调制器”顺序调试。由于各模块功能是独立的,调试顺序并没有特定要求,经过一阶段已熟知各模块功能和预期输入输出的前提下,学生可根据调试情况灵活安排。对单个模块调试时,需要综合考虑前一模块所能提供的信号范围,以此作为该模块输入信号取值设定的依据。

4.2.1 BUCK变换器调试

在Multisim中选择模拟开关AD7510D1JD,应注意其供电电源必须高于输入电压。在完整电路中,驱动方波uB由集成运放构成的比较器产生,若其采用正负5 V电源供电,则输出值应为集成运放的饱和电压,此处取+4.1 V、-4.1 V,实际电路中采用的芯片不同则饱和值会有浮动。添加两个电流钳分别测量电感和二极管电流,仿真电路如图4所示。

图4 BUCK变换器仿真电路

图5(a)为uB占空比分别取50%和80%时BUCK电路输出电压的瞬态分析,可见电路经过瞬态后进入稳态。读得uB占空比50%时uO稳态值为4.05 V,uB占空比80%时UO稳态值为5.96 V,可见占空比越大,输出电压稳态值越大,符合电路工作原理。

t/s(a)uB不同占空比输出电压瞬态波形

图5(b)为PWM信号占空比为50%对应的电感电压、电感电流波形。开关闭合期间,电感充电,电流持续增长;开关断开期间,电感放电,电流降低。电感充电和放电时间相等,与PWM信号占空比为50%的条件相符。

图5(c)为二极管电压和电流仿真波形。可见,开关导通期间,二极管两端电压约为输入电压12 V,二极管电流为0,处于截止状态;开关断开期间,二极管两端电压约为-0.7 V,处于导通状态,其中有电流流过且逐渐递减,最大值达20 mA(电流钳的电压电流比例为1 V/mA),体现了二极管的续流作用。

4.2.2 闭环控制电路

分别对误差放大器和PWM调制器进行设计和调试。

(1)误差放大电路设计及调试

该电路对反馈电压UO与基准电压UREF进行比较并将误差信号放大,采用差分放大电路如图6。其输出电压为

图6 差分放大电路仿真图

Uf=Rf/R1(uREF-UO) 。

(1)

调整相应电阻即可调整放大倍数。仿真时集成运放选用741型号,注意要选用设定输出饱和电压参数的模型。利用电位器模拟产生反馈电压UO,为方便调试,基准电压UREF采用基准电压源实现,修改其数值即可改变基准电压。

表1为反馈电压UO取不同值时测得的输出电压uf。可见UO为3.5 V、4.0 V和4.5 V时,符合差分放大规律,实现了约4.7倍的差分放大功能;UO为3.0 V和5.0 V时,由于运放输出分别达到正、负饱和,因而不再符合差分放大规律。

表1 不同反馈电压对应的输出电压

(2) PWM调制器设计及调试

图1所示PWM调制器采用电压比较器实现,将放大的误差信号Uf与三角波比较,产生驱动方波uB。根据梯度渐进方案,三角波先用信号发生器替代产生,基准电压Uf用基准电压源提供,见图7。

图7 PWM调制器仿真电路

高频时器件的传输延迟明显,会对波形产生影响。为清晰观察PWM信号,将三角波频率调低为1 kHz,Uf分别取0 V、1 V、-1 V,仿真波形见图8。

t/s(a)Uf=0

由图8,输出方波峰值为+4.1 V和-4.1 V,对应运放的正、负饱和电压。Uf=0,输出方波占空比为50%;Uf=1 V,占空比变大;Uf=-1 V,占空比变小。可见改变Uf能调节输出方波的占空比。同样,改变三角波峰值也能调节输出方波的占空比。

4.2.3 电路整合调试

按图3连接调试好的滤波电路、差分放大电路、PWM信号发生器并添加反馈电路,构成整体仿真电路。检查前后级的信号是否适合,电压比较器的Uf信号由差分放大器提供,差分放大器的运放采用正负5 V双电源供电的情况下,输出Uf约为-4 V～+4 V之间变化。为保证比较器输出方波,三角波信号的峰值应大于误差信号Uf且留有一定裕度,暂取5 V,可适当调整。

关键观测点观察。用万用表或探针测量UO、Uf等各观测点的电压,符合差分放大器的放大规律;用示波器观测三角波、驱动方波、模拟开关输出电压、电感电压、电感电流、二极管电流等关键信号的波形,信号间的控制关系符合分步调试呈现的规律。

测量输出电压。基准电压UREF=3.5 V、三角波幅值为5 V时,测得输出电压Uf为6.64 V,离设计要求7 V有一些偏差。调节三角波幅值为5.7 V时,测得输出电压如图9(a)通道A,读得稳定后的Uf为6.98 V,达到设计要求。

(a)输出电压波形

观测输出纹波电压和电感纹波电流。将示波器拨到AC档,得到输出纹波电压如图9(b)通道A,读出输出纹波电压为71 mV。电感纹波电流如图9(c)通道B,电流钳的电压电流比例为1 V/mA,读出纹波电流为30 mA。达到设计要求。

4.3 替代电路设计及调试

将替代部分用具体元器件实现,包括开关管驱动电路、三角波发生器、基准电压。为充分发挥学生能动性,该部分仅给出设计思路,留给学生自主查阅资料进行具体设计[11]。

4.3.1 开关管电路设计及调试

题目要求开关管采用三极管实现,可参考图10电路。但三极管作为开关要注意两个问题:一是管子从饱和到截止开关速度比较慢,高频工作条件下要关注其产生的影响[12];二是三极管开关的输出电压受制于输入电压,以NPN管为例,发射结导通时发射极电位必然低于集电极电位。这些特点增加了开关管电路设计的复杂度,设计时要充分考虑并据此对图10电路进行改进。

图10 NPN管作为开关管

4.3.2 三角波发生器设计及调试

三角波发生器可参考图11电路进行设计,改变参数即可调节三角波的频率、幅值。

图11 方波-三角波发生器

4.3.3 基准电压设计及调试

基准电压UREF可利用稳压二极管工作于反向击穿区实现,如图12。根据所需稳压值选择稳压管型号,计算稳压管参数、电阻取值,并测试稳压效果。

图12 利用稳压管产生基准电压

以上单元电路分别调试完成后,接入图3整体电路替换原来的简化方案,参照单元电路的预期输出效果重新进行整合调试。

5 结 论

采取梯度渐进设计方案将设计任务分阶,按功能对系统进行模块分解,对某些较难实现的单元电路,根据其预期输出情况先选择特性相同的器件或仪器替代,让学生观察和理解电路功能之后,再逐步将单元电路细化设计、实现,通过层层递进的设计过程,学生对单元电路的功能和预期输出、整体电路的控制关系已了然于胸,在此基础上拾级而上,再进行整体电路的调试、单元电路的细化设计,可以保证每个阶段都有相应的进展和收获,很好地保护和调动了学生的实践热情。