基于PSpice的升压型开关稳压电源设计与仿真

1万 · 2013-12-24 17:46

PSpice是一款电路仿真软件，能够对复杂的模数混合电路进行仿真，而且开关电源也不例外。

1 升压变换器拓扑结构

升压变换器属于间接能量传输变换器。供电过程包含能量的存储和释放两方面。如图1所示，Vclock是脉冲信号源，提供PWM电压，用以功率开关S1的导通与截止。Rsense为电流取样电阻，Resr为电容的等效串联电阻。在开关S1导通期间，二极管D1截止，电感储存能量，输出电容单独为负载提供电能。在开关S1断开期间，二极管D1导通，储存了能量的电感与输入电源串联，为输出提供电能，其中一部分转移到电容C1里。

图1 基本升压变换器结构电路

1.1 工作于CCM条件下的升压变换器波形

对图1所示电路，借助PSpice进行仿真，获得如图2所示的波形图。这是典型的电感电流连续导通模式(CCM)。

图2 工作于CCM条件下的Boost变换器波形

1万 · 2013-12-24 17:47

曲线①代表PWM波形，用于触发功率开关导通或断开。当开关S1导通时，公共点SW/D电压几乎降到0。相反，当开关S1断开时，公共点SW/D电压增加为输出电压和二极管的正向压降之和，如曲线②所示。曲线③描述了电感两端电压的变化。高电平期间，电感左侧电压为Vin，右侧几乎为0，对应功率开关导通；而低电平期间，电感左侧电压仍为Vin，而右侧突变为Vout，因为功率开关截止，同时二极管导通，此时对应电感电压为负值，这就意味着输出电压大于输入电压。

电感电路在平衡时，电感两端电压平均值为0，即电感的电压时间平衡。也就是图中阴影部分面积S1=S2。假设D为PWM的占空比，TSW为开关周期。则

整理得到

可见，在理想情况下，D越接近1，输出电压将趋于无穷大。实际上，只要输出一定的电流，就难以得到传输系数超过4～5的升压变换器。

曲线④为电感电流波形。可以看到电感电压虽然出现了跳变，但电感电流仍然是连续的。

曲线⑤是输出电压波形，也是电容电压。可以看到恢复尖峰以及电压纹波。若考虑输出电容的ESR，则相对纹波为

曲线⑥是输入电流，明显它是连续的。

1万 · 2013-12-24 17:47

1.2 工作于临界导通模式下的电感电流

当电感电流纹波降到0时，功率开关S1立即闭合，电感电流又向上增大。如图3所示电感电流处于临界点的电流变化。此时，电感电流平均值即对称三角形的电流平均值为最大值的1/2。即

假设效率为100%，则有

图3 电感电流处于临界点的电流变化

联立以上两式，可得R和L的临界值

1万 · 2013-12-24 17:47

2 PWM开关模式

1986年前后，脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)开关模式被提出，先后出现了电压模式和电流模式。电流模式是目前常用的控制方法之一。

2.1 电流模式及其不稳定性

电流模式检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出进行比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改善了线性调整率。

在CCM条件下，占空比超过50%时，电流模式存在固有不稳定性，也称为次谐波振荡。这种不稳定性与稳压器的闭环特性无关，它是由固定频率和峰值电流取样同时工作所引起。图4(a)显示了这种现象，在t0时刻，开关开始导通，使电感电流以斜率m1上升，t1时刻，电流取样输入达到由控制电压建立的门限。这导致开关断开，电流以斜率m2衰减，直至下一个振荡器周期。如果有一个扰动加到控制电压上，产生一个小的△I，在一个固定的振荡器周期内，电流衰减时间减少，最小电流在开关接通时刻t2，上升了△I+△I*m2/m1。最小电流在下一个周期t3减小至(△I+△I*m2/m1)m2/m1。如果m2>m1，这样扰动经过几个开关周期的逐渐积累后，就会出现占空比一大一小的现象，即发生了次谐波振荡。图4(b)显示了通过在控制电压上增加一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，该斜坡的斜率如果≤m2/2，才能使得电感电流跟随控制电压，达到真正的电流模式工作。

图4 连续电流波形图

1万 · 2013-12-24 17:48

2.2 高性能电流模式控制器UC2843简介

UC2843是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计，常用作反馈式开关电源的控制电路。UC2843工作电压为8.5～36V，是专为离线和DC-DC变换器应用而设计，提供了只需少量外部元件就能获得低成本高效益的解决方案。具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考电压、高增益的误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其它的保护特性包括滞后式欠压锁定，低压锁定门限为8.5V(通)和7.6V(断)，还有逐周电流限制、可控输出静区时间等。

图5所示为UC2843的内部框图。

1万 · 2013-12-24 17:48

3 升压型开关稳压电源设计

电源的技术指标为：输人标称12V，动态范围9～18V，输出24V，Io为1A，频率为300kHz，输出电压精度为1%。设计电路如图6所示。

图6 12V-24V升压变换器电路

1万 · 2013-12-24 17:48

3.1 元件参数选择

(1)储能电感。

在保证电感电流连续模式前提下，电感值应满足

其中，Vs为为开关管导通时漏极电位。假定电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的30%，即

故，电感值可取

综合考虑，电感可取50～150μH。

(2)其它元件参数选择。

为得到300kHz的工作频率，选择RT电阻为27kΩ，CT为220 pF。UC2843内部脚2为误差放大器的反向输入端，正向输入基准为2.5V，可知输出电压为Vo=2.5(1+R1/R2)，由此可确定输出取样电阻R1和R2值分别8.7kΩ和1kΩ。开关管，由于工作在大电流状态，且频率为300kHz。应选择Rds小的功率开关MOS管。输出二极管应选择快恢复二极管以保证开关的正常工作。输出电容是一个重要的储能元件，所以应选用100μF及以上的电解电容，其余元件参数如图6所示。为防止次谐波振荡，特加入了由Q1组成的斜坡补偿电路。

1万 · 2013-12-24 17:49

3.2 电路模拟仿真

运行PSpice仿真，得到如图7所示波形。在9 V输入电压下，输出电压23.899V，电压纹波11mV，电感电流1.5459A，纹波271mA，占空比75%。由于加入了斜坡补偿，所以并没有出现次谐波振荡，即占空比时大时小的现象。电源效率为70%。电路元件参数的具体选择，可参考仿真结果，查看每个元件的电流和耗散功率加以确定。

图7 PSpice仿真波形

1万 · 2013-12-24 17:49

4 结束语

借助PSpice仿真软件，设计了一款常用的12～24V升压型开关稳压电源电路。整个电路调试容易，工作稳定、可靠性高、成本低。另外，可根据具体的电路指标要求，对电路进行灵活控制、变动，设计出其他的应用电路。

基于PSpice的升压型开关稳压电源设计与仿真

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