變壓器隔離推挽式開關(guān)電源PSpice仿真設(shè)計(jì)

邵珠雷

（許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南許昌461000）

0 引言

在開關(guān)電源的的設(shè)計(jì)中，輸入電源與輸出負(fù)載之間的公共點(diǎn)常常需要隔離，從而阻隔共模回流和消除地線上的環(huán)流。 開關(guān)電源在變換器部分的設(shè)計(jì)中常采用變壓器來隔離輸入電源與輸出負(fù)載，并且通過變壓器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能。推挽式開關(guān)電源包含兩個(gè)反相工作的正激變換器，因此推挽式開關(guān)電源具有正激式開關(guān)電源拓?fù)涞乃袃?yōu)點(diǎn)[1]。由于電源提供給負(fù)載的功率并不在變壓器中存儲(chǔ)，推挽式開關(guān)電源比正激式開關(guān)電源能處理更多的功率，且效率更高，控制性能更好。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 變壓器隔離推挽式開關(guān)電源電路圖

圖2 輸出電壓和電流時(shí)域波形圖

本設(shè)計(jì)為采用變壓器隔離推挽式輸出的開關(guān)電源，其輸入電壓為35V，輸出電壓為5V，輸出電流為2A，紋波為250mV。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出， 開關(guān)電源采用電流型PWM 開關(guān)電源控制器SG1846 構(gòu)成反饋回路，開關(guān)頻率為25kHZ。 為緩解變壓器磁通不平衡造成的過熱失控問題，在電路中采用功率MOSFET 作為開關(guān)管[2]。 其電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖所示，開關(guān)管M1，M2根據(jù)輸入電壓V1、變壓器變比和預(yù)期輸出電壓所決定的占空比每半周期交替導(dǎo)通。為避免兩開關(guān)管直通現(xiàn)象的發(fā)生，需要在M2開通和M1關(guān)斷之間設(shè)置死區(qū)時(shí)間td。

二極管D2上的電壓為矩形波， 幅值為輸入電壓V1乘以變壓器電壓比，即

二級(jí)管D2正偏導(dǎo)通，輸出電感L1此時(shí)間段內(nèi)充磁。 二級(jí)管D2的電流iD1（t）與開關(guān)管集電極電流ic1（t）成比例。

電路的電壓調(diào)整率可以從輸出電感L1的伏秒平衡關(guān)系導(dǎo)出， 由于每個(gè)開關(guān)周期輸出電感都要充磁兩次， 開關(guān)管開通時(shí)間ton的系數(shù)為2。 電壓調(diào)整率為

如果考慮開關(guān)管與二極管的通態(tài)壓降，電壓調(diào)整率為

式中Vcesat為開關(guān)管通態(tài)壓降，Vd為二極管通態(tài)壓降，T 為開關(guān)周期。

2 電路PSpice 仿真建模及分析

使用仿真軟件PSpice 對(duì)變壓器隔離推挽式開關(guān)電源進(jìn)行建模。其中，電流采樣變壓器采用可由用戶自定義參數(shù)的專用模型Kbreak， 電壓比為200:1。 脈沖變壓器采用Breakout 庫(kù)中的雙輸入雙輸出非線性變壓器模型XFRM_NONLIN/CT-PRI/SEC，并引入非線性磁心TN27_15_11_2P50， 其一次繞阻匝數(shù)為40，二次繞阻匝數(shù)為11。根據(jù)紋波電流、輸出電壓和占空比等確定輸出電感值為200uH，輸出電容值為1000uF。

仿真20ms 所用時(shí)間：Total job time（using Solver 1）=43.62s，其輸出電壓、電流時(shí)域波形圖如圖2 所示。

由圖2 可知， 輸出電壓波形U 的恢復(fù)時(shí)間ts為4.2ms， 最大超調(diào)量Mp為15%，ts后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值5V， 紋波峰峰值為250mV。 負(fù)載電阻Rload上的電流即輸出電流波形I 在經(jīng)過恢復(fù)時(shí)間ts后同樣達(dá)到穩(wěn)態(tài)值2A，紋波峰峰值為100mA。 由以上結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的變壓器隔離推挽式開關(guān)電源符合要求，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定輸出。

3 結(jié)束語

基于電流型控制芯片，推挽式開關(guān)電源在中功率場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛，如果開關(guān)管電壓?jiǎn)栴}不需要考慮，推挽式開關(guān)電源適用于適用于任何負(fù)載功率等級(jí)[3]。本設(shè)計(jì)使用PSpice 仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源進(jìn)行系統(tǒng)建模，并得到輸出電壓和輸出電流的時(shí)域分析結(jié)果。 結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的變壓器隔離推挽式開關(guān)電源輸出穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

［1］裴云慶，楊旭，王兆安.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］唐衛(wèi)斌.基于PSpice 的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與仿真[J].電子科技，2012，25（1）：27-30.

［3］尚永爽，劉勇，文天柱，等.基于PSpice 的開關(guān)電源瞬態(tài)特性及參數(shù)分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：139-141.