基于PSpice的升壓型開(kāi)關(guān)穩壓電源的設計與仿真

20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。在半個(gè)多世紀的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代由傳統技術(shù)設計制造的連續工作的線(xiàn)性電源，并廣泛用于電子、電氣設備中。20世紀80年代，計算機全面實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成了計算機的電源換代。20世紀90年代，開(kāi)關(guān)電源在電子、電氣設備以及家電領(lǐng)域得到了廣泛的應用，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。

Cadence旗下的PSpice是一款電路仿真軟件，能夠對復雜的模數混合電路進(jìn)行仿真，而且開(kāi)關(guān)電源也不例外。

升壓變換器拓撲結構

升壓變換器屬于間接能量傳輸變換器。供電過(guò)程包含能量的存儲和釋放兩方面。如圖1所示，Vclock是脈沖信號源，提供PWM電壓，用以功率開(kāi)關(guān)S1的導通與截止。Rsense為電流取樣電阻，Resr為電容的等效串聯(lián)電阻。在開(kāi)關(guān)S1導通期間，二極管D1截止，電感儲存能量，輸出電容單獨為負載提供電能。在開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)期間，二極管D1導通，儲存了能量的電感與輸入電源串聯(lián)，為輸出提供電能，其中一部分轉移到電容C1里。

1、工作于CCM條件下的升壓變換器波形

對圖1所示電路，借助PSpice進(jìn)行仿真，獲得如圖2所示的波形圖。這是典型的電感電流連續導通模式（CCM）。

圖1基礎升壓變壓器結構電路

圖2工作于CCM條件下的Boost變換器波形

曲線(xiàn)①代表PWM波形，用于觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)導通或斷開(kāi)。當開(kāi)關(guān)S1導通時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓幾乎降到0.相反，當開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓增加為輸出電壓和二極管的正向壓降之和，如曲線(xiàn)②所示。曲線(xiàn)③描述了電感兩端電壓的變化。高電平期間，電感左側電壓為Vin，右側幾乎為0，對應功率開(kāi)關(guān)導通；而低電平期間，電感左側電壓仍為Vin，而右側突變?yōu)閂out，因為功率開(kāi)關(guān)截止，同時(shí)二極管導通，此時(shí)對應電感電壓為負值，這就意味著(zhù)輸出電壓大于輸入電壓。

電感電路在平衡時(shí)，電感兩端電壓平均值為0，即電感的電壓時(shí)間平衡。也就是圖中陰影部分面積S1=S2.假設D為PWM的占空比，TSW為開(kāi)關(guān)周期。則

整理得到

可見(jiàn)，在理想情況下，D越接近1，輸出電壓將趨于無(wú)窮大。實(shí)際上，只要輸出一定的電流，就難以得到傳輸系數超過(guò)4~5的升壓變換器。

曲線(xiàn)④為電感電流波形?？梢钥吹诫姼须妷弘m然出現了跳變，但電感電流仍然是連續的。

曲線(xiàn)⑤是輸出電壓波形，也是電容電壓?？梢钥吹交謴图夥逡约半妷杭y波。若考慮輸出電容的ESR，則相對紋波為

曲線(xiàn)⑥是輸入電流，明顯它是連續的。

2、工作于臨界導通模式下的電感電流

當電感電流紋波降到0時(shí)，功率開(kāi)關(guān)S1立即閉合，電感電流又向上增大。如圖3所示電感電流處于臨界點(diǎn)的電流變化。此時(shí)，電感電流平均值即對稱(chēng)三角形的電流平均值為最大值的1/2.即

假設效率為100%，則有

聯(lián)立以上兩式，可得R和L的臨界值

圖3電感電流處于臨界點(diǎn)的電流變化