串聯開關穩壓電源梯度漸進設計方案及仿真

許少娟,刁立強,于海霞

(大連理工大學 城市學院,遼寧 大連 116600)

模擬電子電路課程設計是電氣類專業學生學完大學物理、模擬電子電路理論及實驗后的綜合設計,本文研究的串聯型開關穩壓電源是其中的一個設計題目,學生在進行該題目設計時,由于未能透徹理解電路的工作原理、缺乏復雜電路調試經驗等原因,往往困在某個步驟無法解決導致設計失敗。本文在設計和調試時采用梯度漸進方案對任務分解,降低了調試難度,并借助Multisim軟件仿真演示了完整的調試過程,以期為相關教學提供一些參考。

1 設計要求和參數

用三極管作為開關管,設計一個串聯型開關穩壓電源,輸入電壓為12 V,存在上下2 V的波動,要求輸出電壓7 V,紋波電壓小于100 mV,電感紋波電流小于150 mA。設計電路,計算參數,完成Multisim仿真并在面包板上搭建調試。

2 設計方案和工作原理

設計要求輸入電壓高于輸出電壓,故應設計降壓型開關穩壓電源。降壓型開關電源的原理圖見圖1,包括BUCK變換器和閉環控制電路兩部分[1]。只有深入理解了電路的工作原理才能預知各模塊的輸出特性,進而對電路進行分解、調試和分析,因此熟知電路工作原理是設計和調試電路的必要前提。

圖1 降壓型開關穩壓電源原理圖

2.1 BUCK變換器

圖1中BUCK變換器又稱降壓變換器,是一種對輸入電壓進行降壓變換的直流斬波器,其輸出電壓低于輸入電壓。電感L、電容C構成LC濾波器[2],由于受控開關SW輸出信號在兩個電平間不斷切換,存在大量高頻諧波,LC濾波器可以將其濾除。開關SW斷開時會產生巨大的峰值電壓,二極管VD為開關斷開瞬間的電流提供一條通路,起到續流作用。

2.2 閉環控制電路

在實際電路中,輸入電壓、負載都存在一定的波動,這些因素會導致輸出電壓的波動,因此要加入反饋形成閉環回路以保證輸出電壓穩定[3]。閉環控制電路由反饋電路、誤差放大器以及PWM調制器(脈寬調制器)組成,如圖1所示。引入電壓負反饋調節驅動方波的占空比,由反饋電路引導PWM調制器自動調整開關通斷時間從而調節輸出電壓。

2.3 工作原理

3 設計及調試方案

本電路結構相對復雜,對整體電路進行設計和調試有一定難度。例如開關管電路涉及具體元件選取、電路結構設計和參數選定,在高頻工作狀態還要考慮開關管的延遲特性等諸多因素,增加了設計難度[4]。對于實踐經驗不足的學生,解決這些問題需要花費大量精力去查閱資料、論證方案,在教師難以及時指導的情況下,極有可能卡在某個環節造成設計過程停滯,從而打擊學生的積極性[5]。鑒于此,本文采取模塊分解、替代方案等手段對電路調試過程重新進行設計[6],形成一種梯度漸進設計方案,如圖2所示。

圖2 梯度漸進設計方案

一階:系統劃分。根據功能將電路劃分為BUCK變換器和閉環控制電路兩部分,每一部分再具體劃分,先分別調試每個模塊,調試無誤后再將各模塊逐一連接調試,這樣才易于確定哪部分電路出了問題。本階段目標是熟悉各單元模塊的特性和預期輸出情況。

二階:替代方案調試簡化設計。在一階基礎上分析各單元電路的預期輸出信號,據此設計替代方案。部分信號先借助儀器產生,例如基準電壓用穩壓源替代產生,三角波、驅動方波用信號發生器替代產生;部分單元電路先采取替代方案進行調試,例如開關管電路用模擬開關代替,可以大幅降低調試難度,讓學生直觀觀察到電路現象,從整體上理解和把握系統的控制關系。

三階:替代方案具體設計。對采取替代方案的單元模塊設計具體實現電路,調試后接入電路進行整體聯調。在該階段,由于主體部分已經調試完成,待設計單元電路目標很明確,學生壓力小了很多,可以全心投入、各個擊破。

采取梯度漸進方案對任務分解,將繁雜的設計任務按需分配到不同階段,循序漸進,每個階段都有明確的階段目標,更易于取得相應的進展和收獲[7]。鑒于軟件仿真不確定因素少、元件和儀器不受物理條件限制、測試結果直觀[8],本電路調試過程以Multisim仿真形式呈現,對實際電路調試同樣具有參考意義[9]。

4 梯度漸進方案仿真調試

4.1 系統劃分

根據梯度漸進設計方案進行系統劃分、單元模塊分解,得到整體仿真電路如圖3所示。電路劃分為BUCK變換器和閉環控制電路,其中BUCK變換器分為濾波電路和開關管兩部分,閉環控制電路分為取樣電路、誤差放大器、PWM調制器三部分。根據題目對輸出電壓、紋波電壓、電感紋波電流等指標的要求,參考相關文獻計算[10],濾波電感和電容分別取25 mH、20 uF,至于續流二極管等器件的參數計算和選型本文不作詳細介紹,側重進行調試方案的設計。

圖3 替代方案整體仿真電路

4.2 替代方案設計及調試

根據梯度漸進方案思想進行替代方案設計。BUCK變換器部分,受控開關SW先用Multisim模擬開關替代,再采用三極管實現,且模塊調試時,驅動方波uB先用信號發生器產生,整體聯調時再接入PWM調制器提供的驅動方波;閉環控制部分,誤差放大器采用差分放大電路,其基準電壓UREF先用基準電壓源替代,再用穩壓二極管電路實現;PWM調制器采用電壓比較器,其三角波發生電路先用信號發生器替代,再用具體電路實現,反饋電壓UO先用基準電壓源替代,再由取樣電路實現。

在此基礎上即可按梯度漸進方案對電路進行分步調試。為體現電路工作情況且便于理解,本文按照電路閉環中信號流動的方向進行調試,以BUCK變換器為起點,按“BUCK變換器-誤差放大器-PWM調制器”順序調試。由于各模塊功能是獨立的,調試順序并沒有特定要求,經過一階段已熟知各模塊功能和預期輸入輸出的前提下,學生可根據調試情況靈活安排。對單個模塊調試時,需要綜合考慮前一模塊所能提供的信號范圍,以此作為該模塊輸入信號取值設定的依據。

4.2.1 BUCK變換器調試

在Multisim中選擇模擬開關AD7510D1JD,應注意其供電電源必須高于輸入電壓。在完整電路中,驅動方波uB由集成運放構成的比較器產生,若其采用正負5 V電源供電,則輸出值應為集成運放的飽和電壓,此處取+4.1 V、-4.1 V,實際電路中采用的芯片不同則飽和值會有浮動。添加兩個電流鉗分別測量電感和二極管電流,仿真電路如圖4所示。

圖4 BUCK變換器仿真電路

圖5(a)為uB占空比分別取50%和80%時BUCK電路輸出電壓的瞬態分析,可見電路經過瞬態后進入穩態。讀得uB占空比50%時uO穩態值為4.05 V,uB占空比80%時UO穩態值為5.96 V,可見占空比越大,輸出電壓穩態值越大,符合電路工作原理。

t/s(a)uB不同占空比輸出電壓瞬態波形

圖5(b)為PWM信號占空比為50%對應的電感電壓、電感電流波形。開關閉合期間,電感充電,電流持續增長;開關斷開期間,電感放電,電流降低。電感充電和放電時間相等,與PWM信號占空比為50%的條件相符。

圖5(c)為二極管電壓和電流仿真波形?？梢?開關導通期間,二極管兩端電壓約為輸入電壓12 V,二極管電流為0,處于截止狀態;開關斷開期間,二極管兩端電壓約為-0.7 V,處于導通狀態,其中有電流流過且逐漸遞減,最大值達20 mA(電流鉗的電壓電流比例為1 V/mA),體現了二極管的續流作用。

4.2.2 閉環控制電路

分別對誤差放大器和PWM調制器進行設計和調試。

(1)誤差放大電路設計及調試

該電路對反饋電壓UO與基準電壓UREF進行比較并將誤差信號放大,采用差分放大電路如圖6。其輸出電壓為

圖6 差分放大電路仿真圖

Uf=Rf/R1(uREF-UO) 。

(1)

調整相應電阻即可調整放大倍數。仿真時集成運放選用741型號,注意要選用設定輸出飽和電壓參數的模型。利用電位器模擬產生反饋電壓UO,為方便調試,基準電壓UREF采用基準電壓源實現,修改其數值即可改變基準電壓。

表1為反饋電壓UO取不同值時測得的輸出電壓uf?？梢奤O為3.5 V、4.0 V和4.5 V時,符合差分放大規律,實現了約4.7倍的差分放大功能;UO為3.0 V和5.0 V時,由于運放輸出分別達到正、負飽和,因而不再符合差分放大規律。

表1 不同反饋電壓對應的輸出電壓

(2) PWM調制器設計及調試

圖1所示PWM調制器采用電壓比較器實現,將放大的誤差信號Uf與三角波比較,產生驅動方波uB。根據梯度漸進方案,三角波先用信號發生器替代產生,基準電壓Uf用基準電壓源提供,見圖7。

圖7 PWM調制器仿真電路

高頻時器件的傳輸延遲明顯,會對波形產生影響。為清晰觀察PWM信號,將三角波頻率調低為1 kHz,Uf分別取0 V、1 V、-1 V,仿真波形見圖8。

t/s(a)Uf=0

由圖8,輸出方波峰值為+4.1 V和-4.1 V,對應運放的正、負飽和電壓。Uf=0,輸出方波占空比為50%;Uf=1 V,占空比變大;Uf=-1 V,占空比變小?？梢姼淖僓f能調節輸出方波的占空比。同樣,改變三角波峰值也能調節輸出方波的占空比。

4.2.3 電路整合調試

按圖3連接調試好的濾波電路、差分放大電路、PWM信號發生器并添加反饋電路,構成整體仿真電路。檢查前后級的信號是否適合,電壓比較器的Uf信號由差分放大器提供,差分放大器的運放采用正負5 V雙電源供電的情況下,輸出Uf約為-4 V～+4 V之間變化。為保證比較器輸出方波,三角波信號的峰值應大于誤差信號Uf且留有一定裕度,暫取5 V,可適當調整。

關鍵觀測點觀察。用萬用表或探針測量UO、Uf等各觀測點的電壓,符合差分放大器的放大規律;用示波器觀測三角波、驅動方波、模擬開關輸出電壓、電感電壓、電感電流、二極管電流等關鍵信號的波形,信號間的控制關系符合分步調試呈現的規律。

測量輸出電壓?；鶞孰妷篣REF=3.5 V、三角波幅值為5 V時,測得輸出電壓Uf為6.64 V,離設計要求7 V有一些偏差。調節三角波幅值為5.7 V時,測得輸出電壓如圖9(a)通道A,讀得穩定后的Uf為6.98 V,達到設計要求。

(a)輸出電壓波形

觀測輸出紋波電壓和電感紋波電流。將示波器撥到AC檔,得到輸出紋波電壓如圖9(b)通道A,讀出輸出紋波電壓為71 mV。電感紋波電流如圖9(c)通道B,電流鉗的電壓電流比例為1 V/mA,讀出紋波電流為30 mA。達到設計要求。

4.3 替代電路設計及調試

將替代部分用具體元器件實現,包括開關管驅動電路、三角波發生器、基準電壓。為充分發揮學生能動性,該部分僅給出設計思路,留給學生自主查閱資料進行具體設計[11]。

4.3.1 開關管電路設計及調試

題目要求開關管采用三極管實現,可參考圖10電路。但三極管作為開關要注意兩個問題:一是管子從飽和到截止開關速度比較慢,高頻工作條件下要關注其產生的影響[12];二是三極管開關的輸出電壓受制于輸入電壓,以NPN管為例,發射結導通時發射極電位必然低于集電極電位。這些特點增加了開關管電路設計的復雜度,設計時要充分考慮并據此對圖10電路進行改進。

圖10 NPN管作為開關管

4.3.2 三角波發生器設計及調試

三角波發生器可參考圖11電路進行設計,改變參數即可調節三角波的頻率、幅值。

圖11 方波-三角波發生器

4.3.3 基準電壓設計及調試

基準電壓UREF可利用穩壓二極管工作于反向擊穿區實現,如圖12。根據所需穩壓值選擇穩壓管型號,計算穩壓管參數、電阻取值,并測試穩壓效果。

圖12 利用穩壓管產生基準電壓

以上單元電路分別調試完成后,接入圖3整體電路替換原來的簡化方案,參照單元電路的預期輸出效果重新進行整合調試。

5 結 論

采取梯度漸進設計方案將設計任務分階,按功能對系統進行模塊分解,對某些較難實現的單元電路,根據其預期輸出情況先選擇特性相同的器件或儀器替代,讓學生觀察和理解電路功能之后,再逐步將單元電路細化設計、實現,通過層層遞進的設計過程,學生對單元電路的功能和預期輸出、整體電路的控制關系已了然于胸,在此基礎上拾級而上,再進行整體電路的調試、單元電路的細化設計,可以保證每個階段都有相應的進展和收獲,很好地保護和調動了學生的實踐熱情。