开关电源的设计原理范文

关键词：RCC；开关电源；频率计算；变压器设计

中图分类号：TN710-34；TM433文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)24-0199-03

DesignforRCCSwitchModePowerSupplyBasedonFrequencyAccount

YANGShu-tao,GUJia-chen,QILi,WANGZai-li

(Unit63889ofPLA,Mengzhou454750,China)

Abstract：RCC(ringingchokeconvertor)isoneofthemostpopularwaystodesignlow/mediumSMPS(switchmodepowersupply).DuetotheparametersareinteractionalinthedesignofRCCSMPS,theinteractionmakescalculationanddebuggingcomplex.Theexistingwayspreelectthefrequency,andthenvalidatethemrepeatedlybyAP.Severaltimecalculationisneeded.Moreover,thesystemishardtoworkinthebeststate.ThetransformerdesignisthekeylinkinSMPS,andthemostimportantreferenceisfrequencyintransformerdesign.Iftheworkingfrequencycanbeobtainedinadvance,oratleastmakecertainoftheinfluencefactors,theaccountanddebuggingtimewillbeshortenobviously.Theformulaforfrequencyisderivedfirsttodeterminethemainsourceoffrequency,andtherelationofthetransformerinductanceandtheinputvoltage.Andthentheotherparametersofthetransformerareconfirmed,atlasttheotherparametersofwholeSMPSaredetermined.TherationalityofthedesignwasprovedbythesimpledebuggingforSMPShardwares.

Keywords：RCC;switchmodepowersupply;frequencyaccount;transformerdesign

RCC（RingingChokeConvertor）式开关电源具有所需器件少，成本低，不用外部时钟控制，工作于临界连续状态，可以方便地实现电流型控制，在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应，具有自动功率限制等优点[1-2]。RCC电路原理简单，由开关变压器和主开关管谐振产生振荡，副开关管可以调节占空比，以此调节输出电压[3-4]。但是RCC电源的占空比、工作频率随使用环境和内部参数的变化而改变，使得开关管控制极的电流驱动波形难以确定，给器件参数选定，尤其是变压器的设计带来困难[5-6]。传统设计主要有诺模图法和磁芯面积乘积AP计算校验法[3-4]。这两种方法在定频率计算中较实用，但若未知频率，将不能用以上两种方式设计。传统的方法是给RCC电源预设一频率，然后设计变压器[1，3，5]。但因变压器参数直接影响到电源的工作频率，所设计的变压器工作频率经常与预设频率相差太大而不能正常工作；电源参数需多次重复设计，导致初期设计计算量大，而且该“拼凑法”在后期调试中，实际频率很难与理论值吻合，导致电源不能工作在设计的最佳状态。

本文推导出频率计算公式，并得出频率与输入电压成正比，与负载电流、初、次级电感量成反比。在确定的输入电压和已知的最大输出功率下，根据电源给定的输入电压、输出电压、额定工作频率和占空比直接求取变压器的初、次级匝数，一次设计就能确定变压器所有参数，解决了高频变压器设计中需要反复设计与验证的问题。基于该方法设计了一台5V/10A的开关电源，并对电源的工作频率、占空比等参数进行了验证。

1RCC原理

1.1RCC原理

RCC原理图如图1所示。上电后，C3两端电压使电流经起振电阻R1，R2，驱使主开关管Q1导通，随着Q1导通，经由反馈电感T1的反馈信号加强对Q1控制极正向驱动，使Q1迅速导通。因感应电动势与电流变化率成正比，当变压器初级电流最大(饱和导通)时，T1′两端电压为0，Q1退出饱和状态开始关断。此时，T1′感生反向电动势，加速Q1关断，同时饱和状态R4两端电压驱使Q2开通，并将Q1控制极短路，使Q1关断，经起振电阻R1，R2重新使Q1导通，依此循环[3，7-8]。RCC电路始终工作在临界导通模式，不会出现反激变换中的连续能量传递模式，其初级电流始终都是一个锯齿形三角波形，而不会出现梯形波[8-10]。RCC电路调节电压的输入方式是通过控制初级峰值电流来实现的［3］。

1.2自振荡频率计算

若变压器T1的初级、次级电流为i1,i2，电压为u1,u2，匝数为N1,N2，电感量为L1,L2，分析变压器初级电感，由电磁感应定律知，在导通时间Δt下有以下关系：u1=L1i1Δt

（1）在Δt为导通时间Ton时，初级有电流最大值：I1max=u1Ton/L1

（2）则导通时间：Ton=L1I1max/u1

（3）由变压器基本原理得次级最大电流值为：I2max=N1N2•u1L1Ton

（4）由于次级电流以u2/L2比率减小，则次级输出瞬时电流为：i2=I2max-u2L2Δt

（5）当Δt=Toff时，有：I2max-u2ToffL2=0

（6）由式（3），式（4），式（6）可知，关断时间为：Toff=N1N2Ton=N1N2•L2u2I1max

（7）由式（3），式（7）可知，占空比为：D=11+u1u2L2L1

（8）由式（8）可知，占空比与变压器初级电感量L1成正比，与输入电压u1、次级电感量L2成反比，占空比不受初、次级电流变化的影响。

理想状态下变压器的输入输出能量相等：12L1I21maxf=u1i1

（9）由式（3），式（7），式（9）整理得：f=12i2u2u2L1/u1+L22

（10）由式（10）可知，振荡频率f随u1的升高而升高，随输出电流i2、初次级电感量L1，L2的增大而减小。根据式（8），式（10），可确定变压器的初、次级电感L1，L2，它们是检验电源能否达到设计要求的重要参考。

2设计实例

基于频率计算法设计了一个50W的RCC开关电源，其原理图如图2所示。为了图面清晰，图中未画出工频滤波和整流电路。该电源采用典型RCC拓扑结构，其整流、滤波、缓冲吸收电路、电压负反馈电路、过流控制的设计可参照文献［3，11-12］。

2.1选择磁芯

所设计的电源最大输出功率为Pout=50W，所需的输入功率Pin=Pout/η，预计效率为0.8，以时变压器能承载的最大功率应不小于62.5W。若设计的电源最低工作频率不低于50kHz，查磁芯参数表知，EE30磁芯在50kHz时最大输出功率为64W[13-14]，能满足所需功率的要求，其磁芯有效截面积Ae=109mm2。

2.2求初、次级匝数

自激反激式变压器匝数N的计算公式为［1］：N=u22BwAef

（11）式中：输出电压u2=5.7V（含整流管压降0.7V），若允许磁芯工作磁通密度Bw≤120mT，将Bw代入式（11）得N2≥4.35，则取整为5匝。

由于变压器的输入/输出能量相等：12u1I1maxTon=12u2I2maxToff=u2i2T

（12）从而有：I2max=2i21－D

（13）由于次级最大平均电流为10A，设计占空比D为0.3，则输出瞬时极限电流I2max=28.57A，由式（6）解出次级电感量L2=2.45μH。同理可以得出初级极限电流I1max=1.34A，初级电感量L1=1.39mH。由式（4）知N1=106。

2.3选定线径

漆包线电流密度J=4A/mm2，则线径为：Φ=2×I/(J×π)

（14）相应可得初次级绕组线径分别为：Φ1=0.253mm，Φ2=1.784mm。对照GB（国标）线径表，取接近且不小于计算值的初级线径为0.28mm，次级线径为1.25mm，两股并绕。

2.4磁芯窗口空间校验

线圈所占窗口面积为：Aw1=πΦ214N1+πΦ222N2=17.6mm2

（15）查相应磁芯参数表知，EE30磁芯的窗口面积Aw=73.35mm2，若窗口使用系数取推荐经验值[3]0.4，则0.4Aw=29.34mm2＞Aw1，磁芯空间可以容下绕组。

2.5气隙计算

为了有效防止磁芯磁饱和，RCC式开关电源高频变压器应在磁芯中插入气隙[10，14]，使磁芯的导磁率下降。气隙Lg的计算公式为[3]：Lg=μ0AeN21L1

（16）式中：μ0为真空中磁导率，所有量均为已知。计算得Lg=1.26mm。由于磁芯为EE型对称安装，磁芯气隙均分到磁芯所留空隙中，EE30磁芯安装时，需要保留Lg/2=0.63mm的间隙。变压器的主要参数如表1所示。

3实验结果及分析

输出电流为10A时初级电流i1和次级电压u2如图3所示。从数字示波器的波形可以看出，此时的占空比D为0.31，与设定的占空比相差3.33%，频率f为47.6kHz，与设定频率相差3.93%。这是由于高频变压器次级线圈取整引起的，通过调节磁芯气隙可以简捷调节变压器初、次级线圈的电感值，使各项指标与理论值相吻合。因误差不大，该设计中没有做此调整。

采用自耦变压器调压，测得在母线电压降低为250V，次级电流保持10A时次级电压如图4所示。

图3满载时的初级电流、次级电压此时的占空比D为0.36，频率f为40kHz，说明RCC变压器工作占空比随输入电压的减小而增大，工作频率随输入电压的减小而减小。将u1=250V代入占空比计算式（8）和频率计算式（10），求解得出D=0.343，f=40.7kHz，实际工作占空比与理论值相差5.56%，工作频率与理论值相差1.72%。输入直流电压为300V，输出电流为5A时，变压器次级线圈电压如图5所示。

此时的占空比D为0.3，频率f为100kHz，说明当改变输出电流值时，电源的工作占空比并没有发生变化，占空比与输出电流大小没有关系。而工作频率随输出电流的减小而线性增大。将io=5A代入占空比计算式（8）及频率计算式（10），求解得出D=0.3，f=92kHz，工作频率与理论值相差8.69%。

4结语

RCC电路通过变压器初级线圈与开关管谐振产生自振荡，在输入电压和负载一定时，振荡频率受初、次级电感量的影响较大。因RCC工作频率可变，而过低频率将导致磁芯磁饱和，因此设计RCC变压器时必须留有气隙，以增大磁阻，防止磁芯饱和。与普通变压器工作方式不用，RCC变压器初、次级线圈相当于储能电感，加之变压器磁芯装配预留气隙产生的漏感以及缓冲网络引发的损耗，不能简单用初级的压匝比求次级匝数。为此，本文提出了一种用于RCC开关电源设计的频率计算验证方法，可以根据变压器的输入电压、输出电压、工作频率和占空比等参数直接计算变压器的相关参数。依照该方法设计的电源不需重复设计和校验即可工作在预设的状态，解决了RCC变压器需反复设计的问题。基于该方法设计了一台实验样机，实验表明，其工作状态与设定状态基本一致，说明用变压器匝数直接计算法设计RCC电源是可行和有效的。本文推导出了RCC电源的工作频率、占空比与变压器初、次级电感量、输入电压、输出电流的关系，为RCC式开关电源的设计和调试提供了依据。

参考文献

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开关电源的设计原理范文

关键词:低功耗设计;多电源多电压单元库的环境;统一功率格式

UPF-CompliantLibrary/Environment

intheMulti-SupplyMulti-VoltageEra

TsaiShi-Huei,KoanHuang,CHENHung-ming

(FaradayTechnologyChinaCorp.,Shanghai,200233China)

Abstract:Whilevariouslowpowerdesigntechniquesneedtobeemployedtoreducedevicepowerconsumptionandincreasebatterylifetime,howtoefficientlydesignandmanagethesecomplexlowpowerschemesintertwinedwithchipdesignactivitiesbecomesamajorconcern.Inthispaper,wewillreviewtraditionalMSMVlibraryenvironment,thencompareitwithUnifiedPowerFormat-basedmethodology.Later,wewillintroducespecificlibraryrequirementsandsharesomeviewsonUPF-basedmethodology.

Keywords:LowPowerDesign;Multi-SupplyMulti-Voltage;UnifiedPowerFormat

1传统的方法

传统上电源和地在设计RTL的阶段是不被考虑的。造成这个结果的原因在电源线和地线在布局布线的时候单元会自动地接合。因为相同的资料会经由每个使用过的单元与模块所携带,资料会被视为冗余,因此在逻辑设计的时候会被移除,以便使RTL设计人员能够更加专注于信号线的逻辑行为。

2过渡到多电压多电源设计

随着多电压多电源设计的流行,情况发生了很大变化。因为供应电压的不同,除非设计应用到多轨(multi-rail)单元,否则单元不再能被自动地接合。一个实际的实现方式是将这些单元集合成一组再供给相同的电压参考源,限制他们在一个特定分配的区域,然后给他们连接一个适当的电压源,这样,有效地构成了我们经常提到的“电压域”的概念。

电压域打开或关闭是按照正常模式或待机(Standby)模式的操作来设计,用以减少电源的浪费。电源线不再是静态的连接,而是和特定电压域的电源开或关等状态的行为有关。为了截取电源开关状态的差别,电源跟地连接的需求至少在门级仿真的时候,正确的电源开关行为要能够被确认。

对每个电压域基于模块的方法可能习惯于得到综合产生的电压域网表,然后在该电压域的网表加入传统电源与地的连接,并且在芯片整合的时候进行调整。

3改写传统的流程

所以利用现在的工具以及传统的流程来处理多电压多电源设计一般来说要牵涉到下列的工作:

将每个电压域以模块的方式来呈现

在门级网表的阶段接上电源线和地线

在电压域间连接适当的逻辑

将电源的开与关视为模块功能的一部分

经由仿真来做最后的确认

因此我们看到了在门级网表加入电源与地连接线的需求,所以经由这个流程接口也能达到一致,而相应的电源开关行为能够经由电力来源的状态被捕捉到,表1举一个例子来说明从单元的角度来看差别何在。

4会发生问题的地方

虽然上述的方式可行,但使用者必须注意避免在人工定制的过程里出现必定会发生的人为错误。有些在传统流程里常会发生问题的地方如下所列:

在网表级处理电源与地线

为了集合并且联接相同电压的组(cluster)所做的手工连接

芯片实现时所做的顶层整合

验证时对电源/地线行为的建模/仿真

因为数字仿真只有“0”或“1”两种状态的处理,并没有告诉我们逻辑“1”是指1.0V或1.2V电压,所以我们很难去利用传统的仿真来判别一个电平移位器(levelshifter)已经被正确地用在两个不同的电压域之间。同样地,在仿真的时候,如果被连接到逻辑“1”,你将不知道这个电压源是1V还是1.2V。因此,除了仿真之外,需要大量的检查清单来帮忙解决潜在的人工错误以及在仿真过程的遗漏。

5需要解决的办法

从以上的探讨,我们了解到一旦电源和地的资料能被很清楚地定义,那么不同电压域就能够被分开来处理,每个电压域能够用传统流程来处理。然而,在整合的阶段,每个电压域的电源线与地线需要被显示正确连接到的供应电压,而信号跨过不同的电压域将需要做电平移位,隔离或不断电(always-on)逻辑的处理来确保每个连接的功能性与电性都没有受到损害。

所以基本上我们需要一个对每一个电源域基于模块的设计方法,这方法看起来要求跟现在设计的代码风格几乎一致,还要能减少人工处理网表时容易发生错误的方式。考虑到现在SoC设计的规模跟复杂度,一个加速SoC设计协作的方法也是必须的。

6电子设计自动化(EDA)

产业给的回响

电子设计自动化产业看到了客户的需求自然是不会错过,他们的回答是使用额外的电源规格作为输入来促进设计自动化,不修改现有的设计以及编码风格,一个典型的流程建议如图1。

没有额外的电源规格输入,工具将如过去实现单一电源的设计,当输入额外的电源规格,工具将电源的需求考虑进去而实现出多电压多电源的设计。

7核心方法学

因为工具对多电压多电源的处理能力是由额外加入的电源规格所引发,这样有助于探索电源规格的内容而得到更多的领悟。尽管规格本身告诉我们设计本身电源要求的意图,但真正的物理实现是需要包括额外的单元来处理在不同电压域之间电气方面的安全保护。总的来说,我们看到新的方法学要求设计的电源规格,针对电源管理定制的单元库以及支持针对多电压多电源低功耗设计的工具三者协同来完成。

7.1单元库

因为我们已经知道由单电压设计转到多电压多电源的低功耗设计包含了电源与地作为信号线的连接,在设计里头单元与端口(Port)需要处理电源与地的管脚将不可避免。我们能预见在Liberty里面必须要有新的句法(Syntax)来描述PG管脚才能支持电源与地等管脚的建模,相关的构成(Construct)以及属性(attribute)也需要用来应付不同电压域间的接口以及控制与保持(retention)逻辑的信号。

对标准单元,我们必须在Liberty的句法上关注下列各方面在建模式的考量:

需要对电源与地的管脚明确的建模

需要对输出管脚电源关断功能建模

需要特别详述对输入输出管脚相关的电源与地管脚

表2扼要说明在Liberty针对电源与地管脚的属性新的句法。

表3扼要说明针对特殊的电源管理单元在Liberty库里相对的句法。

智原科技已经将上述的特殊电源管理单元打包到PowerSlashTM锦囊里提供给客户开发低功耗应用的设计,锦囊里一般的内容如图2所示。

7.2电源规格与工具

电源规格如电子设计自动化产业所定义的,以UPF为例,对于一个低功耗设计已经完整的定义如下:

电源域

供给电源的网络

电源状态

电源防护策略

下列的工作可以视为对工具经典的规格要求:

划分电源域

指派以及连接电源/地轨

塞入不断电,保持以及接口逻辑

实现设计并且验证

图3说明能加入电源规格的EDA工具促使多电压多电源设计自动化完成,所见的版图是客户在65nm工艺下的低功耗设计。

我们看到了为了支持综合、静态时序分析、测试、仿真、形式验证以及布局布线工具等各个阶段的设计流程,下列的资料是必须要提供的:

在域里特殊单元的功耗以及相关的时序

在域里不断电,保持单元的行为建模

在域里特殊单元的开关行为建模

在域里个别域的电源开关行为建模

对接口逻辑特殊单元的功耗以及相关的时序

对接口逻辑不断电,保持单元的行为建模

对接口逻辑特殊单元的开关行为建模

除了个别域的电源开关行为建模是跟RTL行为仿真有关外,其他的资料能够被以各种单元库的形式来建模,所以EDA工具能够提供相应的操作。

8总结

由以上的讨论,我们知道新的方法学能够利用引入电源规格来自动化的处理多电压多电源设计,但这需要IP供应商提供相对应的单元库,设计者要提供电源规格,EDA供应商要提供功能强大的工具来促使整个设计的自动化得以实现。

作为一个专业的IP供应商,除了提供符合UPF规格的库外,智原科技进一步开发了内部使用的工具来提高ASIC客户准备电源规格的效率,这个服务也作为标准交付的一部分。

此外,电源规格应该是设计规划的一部分而且在设计的初期阶段就该被广泛地讨论与检视。从建模的角度,一个用户定制化的机制来支持新的电源管理特殊单元也已经被工具提供商所认可。

参考文献

[1]SynopsysLowPowerVerificationToolsSuiteUserGuideVersion2008.12,January2009

[2]SynopsysLow-PowerFlowUserGuideVersionB-2008.09,September2008

[3]LibraryCompilerUserGuide:ModelingTiming,SignalIntegrity,andPowerinTechnologyLibrariesVersionB-2008.09,September2008

[4]UnifiedPowerFormat(UPF)StandardVersion1.0,February2007

作者简介

蔡旭回,IP技术部经理智原科技(上海)有限公司件。

开关电源的设计原理范文篇3

为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix仿真工具。借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。

一、SIMetrix仿真软件介绍

SIMetrix/SIMPLIS是一款用于优化设计电力电子电路的高级仿真工具，是由美国Transim公司开发的软件包，具有优秀的收敛性能和仿真速度，小信号分析方面独具优势，非常适合于开关电源产品的验证、分析、设计和开发。其内部提供了两种仿真模式——SIMetrix和SIMPLIS，其中SIMetrix包含了一个增强型SPICE仿真器、原理图编辑器和波形显示器，与其它通用仿真软件相比，SIMetrix具有以下特点：[1，2]

特点一：包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完整的开关电源系统。

特点二：先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。

特点三：强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。

特点四：具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。

此外，SIMetrix仿真软件的仿真结果与实际非常接近，用户图形界面友好，仿真直观，使用者容易掌握。

二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析

反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点，是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库自带的集成芯片，其器件少、性能良好、价格低廉。综上所述，以UC3842控制的反激电源为仿真实例，电路简单且具有代表性，满足初学者的基本学习要求，具体的仿真电路如图1所示。

1.仿真电路原理

（1）主电路原理。交流输入电压经D1-D4组成的桥式整流及电解电容C1滤波后变成脉动直流电压。该直流电压由功率开关管Q1以很高的工作频率通断，将直流电变换成高频脉冲施加在变压器TX1的初级绕组上，然后由次级绕组输出。当开关管Q1导通时，变压器初级绕组有电流通过并且线性增加，施加在初级绕组上的电压为上正下负，使次级绕组产生下正上负的感应电动势，二极管D5承受反向偏压截止，次级绕组电流为零，变压器储能，这时负载由电容C2放电提供能量。当开关管Q1关断时，初级绕组的磁通量减小，为了维持电流不变而产生下正上负的感应电动势，次级绕组变成上正下负，D5导通，存储在变压器中的能量给C2充电并向负载供电。辅助绕组工作过程与次级绕组相同，一方面经过D6整流、C3滤波后为UC3842供电，另一方面经D7整流、C4滤波后为其提供反馈信号。由于反激变换器不可以空载，所以辅助绕组接假负载R3。最后，在次级绕组和辅助绕组对应输出稳定的12V和15V直流电压。

（2）控制电路原理。[3]交流输入经过整流滤波得到直流电压，通过电阻R1降压后给电容C3充电，当Vp端电压达到启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由Vout端输出推动开关管Q1工作。芯片启动后，工作电压由辅助绕组提供。同时，辅助绕组的输出经过R8和R9分压反馈到Vfb端。当电源电压或负载变化引起输出电压变低时，Vfb端的反馈电压减小，UC3842输出的PWM波的占空比增加，开关管Q1的导通时间变长，输出电压升高；反之，当输出电压升高时，占空比减小，Q1的导通时间变短，输出电压降低，从而使输出电压保持恒定，实现稳压。电阻R4用于电流检测，将初级绕组的电流转换为电压信号送入UC3842的Sense端，形成电流反馈。当由于某种原因产生过流时，开关管Q1的漏极电流将大大增加，电阻R4两端的电压上升，Sense端的电压也上升，当该端的电压超过正常值达到1V时，Vout端无输出，Q1截止，从而保护电路。Ref端和Osc端外接定时电阻R6和定时电容C6，确定工作频率。Vfb端与Comp端之间接R7和C7补偿电路，用于改善增益和频率特性。R5和C5构成RC滤波电路，削弱电流检测信号中的尖峰脉冲干扰，保证电源正常工作。

2.仿真电路参数设计

本仿真电路的主要技术指标：输入电压Vin：220（1±10%）VAC；输出电压Vo：12V，输出电流Io：2.5A；辅助绕组的输出电压VF：15V，开关频率fs：100kHz；效率η：80%。对应图1的仿真电路，完成所有元件参数的计算和电路的设计。

（1）主电路设计和参数计算。根据文献[4]和[5]，已知交流输入电压的范围，可以计算出经过整流滤波电路输出的直流电压范围是238V～342V，然后计算最大占空比为0.37，由此可得高频变压器的次级绕组和初级绕组的变比为0.09。又根据辅助绕组与次级绕组的电压、变比的关系，可计算得辅助绕组与初级绕组的变比为0.11。由前面的计算值结合电源的功率、效率参数，分别得到初级绕组电流峰值为0.67A，电感值为1.3mH。开关管Q1工作于最大输入电压342V的同时还承受了高频变压器的反向电动势，一般为135V，因此Q1的最大漏极电压约500V，最大漏极电流由上可知为0.67A。由文献[5]和[6]可计算，输入整流桥二极管D1-D4的额定电压应大于427V，额定电流有效值应大于0.76A，输出整流二极管D5的最大反向峰值电压为42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值电压为53.5V。根据文献[7]，输入滤波电容C1的经验值可用输出功率值瓦特数乘以1uF计算，约等30uF。输出滤波电容C2经计算应大于185uF，为了使滤波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分别取1uF、10uF。假负载R3的功率按额定功率的5%来设计，其值为150Ω。

（2）控制电路设计和参数计算。[7，8]已知开关频率100kHz，通过UC3842的工作频率计算公式：f=1.72/（RT×CT），可选取定时电阻R6=15kΩ，并计算定时电容C6=1nF。电流检测电阻R4=1/Ipk，其中Ipk为初级绕组电流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5Ω。反馈电路的分压电阻R8和R9可通过公式VF×R8/（R8+R9）=2.5V确定，选取R8=20kΩ，R9=4kΩ。UC3842的启动电流在lmA左右，考虑到启动时间及R1上消耗的功率，实际设计中R1取30kΩ。R5和C5取典型值，分别为1kΩ、470pF。R7和C7的值以电源的闭环传递函数经过补偿后，截止频率位于工作频率的1/5处并且相位裕量约60°为宜，在此分别取15kΩ、1nF。

3.仿真电路搭建步骤

根据以上计算结果，仿真模型的搭建过程及各种参数设置如下：

（1）点击Place＼Passives，选择理想变压器（IdealTransformers）和电路全部的电阻（Resistor[BoxShape]）、电容（Capacitor）。变压器的初、次级绕组数分别选择1和2，定义次级绕组、辅助绕组与初级绕组的比值分别为0.09和0.11，设置初级绕组的电感值为1.3mH，其他参数采用默认值。电阻、电容值可根据前面的计算结果设置。

（2）点击Place＼FromModellibrary，在NMOS中，为功率开关管Q1选择高频特性较好的MOS管IRF840，其电压、电流定额为500V/8A。在Diode中，为输入整流桥二极管D1-D4选择快恢复二极管BY233-600，其电压、电流定额为600V/10A；为输出整流二极管D5选择快恢复二极管mur110，其电压、电流定额为100V/1A；为D6和D7选择快速开关二极管D1N4148，其电压、电流定额为75V/150mA。在PSUControllers中，选择UC3842。

（3）点击Place＼Source，选择多功能电源（UniversalSource），设置波形为正弦波，频率50Hz，峰峰值为622V，其他参数采用默认值。

（4）点击Simulator＼ChooseAnalysis，选择暂态分析（Transient）仿真模式，设置停止时间为20ms，其他参数采用默认值。

三、仿真结果分析

在额定交流输入220V/50Hz、满载的情况下，得到仿真波形如图2所示。6个波形自上而下分别为PWM控制信号、初级绕组电压、直流输出电压、开关管电压、初级绕组电流和次级绕组电流。由波形可知，PWM控制信号的频率约95kHz，占空比为0.32，初级绕组电压范围为-145V～297V，开关管承受最大电压445V，直流输出电压12V，纹波电压约25mV，初、次级绕组电流峰值分别为747mA和8.2A。另外从初、次级绕组电流的关系可知，电源工作在不连续模式。结果表明，本仿真电路参数设计合理，器件选择满足要求，仿真结果与理论基本一致。

四、结论

通过以上简单的仿真实例分析可知，SIMetrix仿真开关电源方便、简单、快捷且仿真模型和与电源实物非常接近。教师在课堂讲授的过程中演示仿真，可使讲解变得生动、形象、直观。与实验相比，仿真不受时间、空间、物质条件限制的同时也更安全，教师应鼓励学生在课后使用，不仅加深对原理知识的掌握，锻炼了实践动手能力，还可以提高他们学习的兴趣和积极性，培养创造能力。因此，SIMetrix仿真软件对该课程教学具有很好的应用价值。

参考文献：

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