基于LTspice IV的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及仿真

賴(lài)聯(lián)有,陳僅星,許偉堅(jiān)

（集美大學(xué) 信息工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源(SMPS:Switch Mode Power Supply)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。非隔離式DC/DC變換具有六種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、極性反轉(zhuǎn)升降壓(Buck-Boost)變換器、Cuk(Boost-Buck串聯(lián))變換器、Sepic變換器、Zeta變換器[1-3]。與線(xiàn)性電源相比,開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

LTspice IV是LT公司推出的SPICE電路仿真軟件,具有集成電路圖捕獲和波形觀測(cè)功能。LTspice IV內(nèi)置新型SPIE元件,能快速進(jìn)行SMPS交互式仿真,且無(wú)元件或節(jié)點(diǎn)數(shù)目的限制。LT spice IV雖然與開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)配合使用,但它并不是SMPS專(zhuān)用型SPICE軟件,而是一款通用型SPICE。LTspice IV內(nèi)置了LT公司新型SPARSE矩陣求解器,采用專(zhuān)有的并行處理方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)任務(wù)的高效并行處理[4]。

1 設(shè)計(jì)實(shí)例

利用LTspice IV設(shè)計(jì)并仿真一個(gè)升壓變換電源。基本要求是輸入電壓:9 V～12 V;輸出電壓:16 V/19 V 24 V;輸出電流:4 A。

1.1 電路原理

實(shí)例采用的電源主控芯片 LTC3814-5是LT公司的無(wú)檢測(cè)電阻(No Sense Resistor)的同步升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制芯片,該芯片不需要中高功率非同步升壓型變換電路中所需的升壓二極管和散熱器。LTC3814-5片內(nèi)具有1 Ω雙路N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,能夠提供大電流以快速驅(qū)動(dòng)大型MOSFET,最大限度地減小變換損耗。LTC3814-5可以用4.5 V到14 V的輸入電源以97%的高效率變換輸出24 V/4 A中功率電源,可以調(diào)節(jié)的輸出電壓高達(dá)60 V。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用LTC3814-5設(shè)計(jì)的Boost變換電路如圖1所示。

圖1 LTC3814-5 Boost電路

在圖1中,BG連接場(chǎng)效應(yīng)管Q1,開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)信號(hào)由此輸出。TG連接場(chǎng)效應(yīng)管Q2,TG的輸出信號(hào)與BG的輸出信號(hào)相配合,Q2相當(dāng)于一個(gè)低導(dǎo)通壓降的二極管。穩(wěn)壓二極管D2對(duì)Q2提供反向過(guò)壓保護(hù)。變換后的電壓經(jīng)C3濾波后輸出到負(fù)載。電流的主通路是:輸入電源U1→電感L1→場(chǎng)效應(yīng)管Q2→負(fù)載Rload。R2和R3構(gòu)成分壓取樣電路,取樣電壓經(jīng)FB反饋輸入后,LTC3814根據(jù)反饋電壓的大小調(diào)整開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比,從而實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓。

1.2 仿真結(jié)果

正常負(fù)載下(輸入電壓為12 V,輸出負(fù)載電阻為6 Ω,下同),觀測(cè)圖1中BG的輸出信號(hào)波形和L1的電流波形。Q1的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)波形和電感L1上的輸入電流波形如圖2所示。圖2中的方波是BG輸出的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)波形;三角波是電感上的輸入電流波形。從圖2也可以看出:當(dāng)BG輸出高電平時(shí),輸入電源向電感充入電流;當(dāng)BG為低電平時(shí),電感中的能量轉(zhuǎn)換輸出。

圖2 Q1控制信號(hào)和L1輸入電流波形

正常負(fù)載下,觀測(cè)圖1中Rload上的電壓電流波形。輸出電壓電流波形圖3所示。從圖3可以看出,輸出電壓為24 V,輸出電流為4 A,輸出電壓電流的紋波很小。

圖3 正常負(fù)載時(shí),輸出電壓電流波形

過(guò)流下(設(shè)置輸入電壓為12 V,輸出負(fù)載電阻為1 Ω),觀測(cè)圖1中Rload上的電壓電流波形,輸出電壓電流波形圖4所示。從圖4可以看出,輸出電壓為24 V,輸出電流為24 A,但是輸出電壓電流的紋波很大。

圖4 過(guò)流時(shí),輸出電壓電流波形

正常負(fù)載下,觀測(cè)圖1中 Rload上的電壓波形,輸出電壓的紋波波形圖5所示。從圖5可以看出,輸出電壓為24 V,紋波電壓約為0.16 V,紋波電壓系數(shù)k=Urip/U×100%=0.67%。

圖5 輸出紋波電壓(局部放大)

正常負(fù)載下,觀測(cè)圖1中Q1的電壓波形和電流波形,把電壓電流波形相乘可得Q1的功率波形,即PQ1=U(n005)Id(Q1)。場(chǎng)效應(yīng)管Q1上的功率如圖6所示。局部放大圖6后的波形,如圖7所示。從圖7可以看出,Q1的功耗只發(fā)生在Q1開(kāi)關(guān)時(shí)刻,其余時(shí)刻實(shí)現(xiàn)了零功耗。對(duì)圖6的功率波形(取穩(wěn)定段)進(jìn)行仿真計(jì)算,得出場(chǎng)效應(yīng)管Q1平均功耗為578.73 mW。

圖6 Q1消耗功率波形

圖7 Q1消耗功率波形(局部放大)

2 結(jié) 語(yǔ)

利用LTspice IV進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)仿真,不但方便、快捷,還可以直觀地觀測(cè)電路中任意點(diǎn)的波形。根據(jù)仿真波形可以判斷電路的工作狀態(tài)、對(duì)電路中具體器件進(jìn)行功耗分析,從而為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)、PCB布局布線(xiàn)、調(diào)試、測(cè)試提供指導(dǎo)與參考。

[1]李定宣.開(kāi)關(guān)穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2][日]長(zhǎng)谷川.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3][日]戶(hù)川治郎.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,1989.

[4]沙占友.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真軟件的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.