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一种基于正激变换器的开关电源设计方法 1弓|言 经过多年的发展，开关电源技术已经取得了很大成功，其应用也十分普遍和广泛。但 因其结构复杂，涉及的元器件较多，以及要降低成本、提高可靠性，仍存在一些问题需要解 决。例如:电源的设计和生产需要较高的技术支持;电路的调试要有实际经验，也有一定的难 度。对于第一个问题，由于目前各种开关电源虽然形式多样，结构各异，但其大都源于几种 基本的dc-dc变换器拓扑结构，或者是这些基本电路组合，因此，可以对几种基本dc-dc变 换器进行分析，将已有的电路设计公式应用于实际开关电源的设计。对于第二个问题，随着 计算机硬件和软件的发展以及仿真技术的不断完善，人们可以利用仿真技术来解决开关电源 产品开发和生产中存在的问题。 本文在对基本的buck变换器电路拓扑分析的基础上，对与之相关的正激变换器和双管 正激变换器进行了分析，发现可以通过等效变换，从buck变换电路的设计公式中推导出正 激变换和双管正激变换电路的参数计算公式;此外，采用pspice仿真软件进行了电路仿真试 验，仿真结果证明了开关电源电路设计的正确性。 2 buck变换的拓扑结构与参数设计 基本buck变换器的电路拓扑结构如图1所示，由电压源vi、串联开关s、续流二极管 vd和由lc组成的电流负载组合而成，其中l的大小决定输出电流纹波，而输出电压纹波则 由c决定，这是最基本的一种直流变换器。 图1基本的buck变换器 文献［1］给出了 buck变换器的电路设计公式，根据buck变换器的输出公式： 匕=匕牛「匕 (1) 式中：为占空比，且有： ，贝/ Vo vi 电感l的计算公式为： 式中:f为开关频率; 1 1 iomin为输出最小电流。 而电容c的计算公式为: V V (3)(1-- (3) 匕 式中：VC为输出电压纹波。 3正激变换的公式推导 拓扑结构与工作模式 一个单管正激变换器的主电路拓扑结构如图2所示，由于正激变换器是在基本的buck 型变换器基础上多了一个隔离变压器ti、一个二极管vdi和一个由回收绕组n3和箝位二极 管vd3构成的复位电路。由于电路形式发生了变化，所以设计时不能直接使用上述基本buck 变换器的参数计算公式。本文通过对正激变换器工作模式的分析，采用等效变换方法将正激 变换器等效为一个基本的buck变换电路，由此可将基本buck变换电路的参数计算公式(2) 和(3)推广到一类正激变换器的参数计算，建立新的设计公式。 图2单管正激变换器主电路结构 正激变换器的工作模式为： (i)当V1导通时，二极管vdi导通，输入电网经变压器耦合向负载传输能量，此时， 滤波电感li储能； (2)当V1截止时，二极管Vdi截止，电感11中产生的感应电势使续流二极管Vd2导通， 电感11中储存的能量通过二极管vd2向负载释放。 等效变换与参数计算 根据对正激变换器工作模式的分析，可以发现二极管vdi的通断与开关管V1的通断同 步，因此可以将二极管vd1用一个等效开关管v代替，如果可以忽略V1的导通压降，则变 压器副边绕组的感生电压为： (4)=v./k (4) 式中:k为变压器的匝比，且有k=ni/n2。 如果用一个大小为v的电压源代替变压器副边绕组，就可以将整个正激变换器的输出 边等效变换为个基本的buck变换器。等效电路如图3所示，图中用开关v代替了图2电 边等效变换为 路中的开关管vi与二极管vdi的作用。由此，通过等效变换的正激变换器主电路拓扑结构 与图1所示的基本buck变换器的拓扑结构一致。这样，就可以采用基本buck变换器的参 数计算公式（2）和（3）来设计正激变换器。 图3等效buck变换器 由图3可将公式（2）和（3）推广，得到等效后的正激变换器参数计算: （i）占空比的计算： （2）滤波电感的计算: （6 （6 （3）滤波电容的计算: V V V V 7）二一T一（1 - ―T—（1 -心） 7） % 匕 匕 式（5）、（6）和（7）即为正激变换器的参数计算公式，从式（5）可知占空比不仅与输入输出 电压有关，还跟变压器的匝比有关，与式（2）和式（3）相比，滤波电容与电感的计算也多了一 个变压器的匝比参数k。 计算公式验证 现通过pspice仿真来验证所推公式的正确性。设计一个正激变换器，要求其输入电压 为48vdc，输出电压为i2vdc，输出电流为5a，输出电压纹波分量 v为iv，开关频率f 为50khz。先选定 0，4即 ，8再由式(5)、(6)和式(7)算出变压器的匝数比为1.6, 1 15，hi 24，f而 v i。2.4 在pspice下绘制电气原理图，并对其进行暂态时域分析，仿真时间设为ims。 仿真输出电压波形如图4所示，可以看出，其输出电压在0.2ms后就已经稳定在所要 求的12v上了，其输出纹波也