062 谐振复位正激变换器SABER仿真研究样本
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论文大概：
 
 

 

 

谐振复位正激变换器SABER仿真研究
摘       要
  随着大规模集成电路和电子计算机的飞速发展,电子电路的分析和设计方法发生了重大革命。以电子计算机辅助分析和设计（computer aided analysis and desin,简称CAA和CAD）为基础的电子设计自动化技术已广泛应用于集成电路与系统的设计之中。它改变了以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法,成为现代电子系统设计的关键技术之一,是必不可少的工具与手段。
   模拟电路仿真工具是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的。它以电路理论为依据,采用合适的数学模型和仿真算法,利用计算机计算存储和图形处理的高速和高效率,完成具体电路的仿真模拟。它无需任何实际元器件,用预先设计出的各种功能的应用程序取代了大量的仪器仪表。电路设计工作者也可以通过这些应用程序进行各种分析、计算和校验,完成所需特殊电路的设计工作。一个电路CAD工具,就相当于一个现代化的电子电路线路实验室。
 本文通过对电路理论的复习,加深对saber程序的了解,掌握saber程序的建模思想,并将saber程序用于开关电源的设计与分析。文章最后通过实例完成saber对开关电源的运用,并在计算机上获得通过。
   关键词： CAD,仿真、saber、开关电源
                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Abstract
Along with the rapid development of the large scale integrated circuit and the electronic computer machine , analysis and the design method of the electronic circuit has had the significant revolution. Taking the electronic computer machine assistance to the analysis and design(computer aided analysis and design, is called CAA and CAD) as the foundation electronic design automation technology has been widely applied to the integrated circuit and during the system design. It changed the traditional design method taking the quota estimate and the electric circuit experiment as the foundation, become one of modern electron system design essential technical, as the essential tool and the method.
The analogous circuit simulation tool is realized by taking the electric circuit theory and the value computational method and the computer technology as the foundation . It takes the electric circuit theory as the basis, uses the appropriate mathematical model and the simulation algorithm by the high speed and efficiency of the computer computation memory and graph processing, completes the simulation of concrete electric circuit. It does not need any actual primary device, and each kind of function application procedure designed in advanced  has substituted for the massive instruments measuring appliance. The electric circuit designer also may complete the special electric circuit by carrying on kinds of analysis, the computation and the verification through these application procedures. An electric circuit CAD tool can be quite to a modernized electronic circuit line laboratory.
This article deepens the understanding of the saber procedure by reviewing of the electric circuit theory, grasps the model thinking of the saber procedure, and uses it in the analysis and design of the switch mode power supply. The article finally completes an example of the switch mode power supply, and obtains it on the computer.
Key Words:CAD、Simulation、saber、switch mode power supply

 

 

 
目录
摘   要 1
Abstract 2
第一章 绪言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外发展历史和现状 1
第二章 开关电源基本原理和主要拓扑结构 3
2.1 开关电源的简化结构 3
2.2 常用拓扑结构 4
第三章 正激变换器谐振复位开环仿真 7
3.1常用电源仿真软件saber简介 7
3.2单端正激变换器谐振复位电路的开环仿真 9
第四章 PWM控制器和闭环仿真 15
4.1 pwm控制器 15
4.2 uc3843的仿真 16
4.3正激变换器的闭环仿真 19
第五章 总结 23
致谢 24
参考文献 25

 

第一章  绪言
1.1 课题背景
开关电源是各种电源中应用范围和市场最大的一种,包括从交流输入变为直流输出的“开关整流器”和从直流输入变为直流输出的“直流变换器”。开关电源经过几十年的发展,集中了许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术,已经形成高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代开关电源。
开关电源的应用范围和市场比较大,按日本电子机械工业协会开关电源专业委员会的分类方法,包括：(1)各种电子计算机、中央处理器、存储装置用开关电源；(2)计算机外围终端设备,输入输出装置用开关电源；(3)有线通讯设备、程控交换机、户内通讯设备用开关电源；(4)无线通讯设备、发送设备、移动通讯设备用开关电源；(5)工厂自动化、机器人、数控机床、空调设备、电力控制设备用开关电源；(6)自动售货机、现金自动交付机、现金自动存储机用开关电源；(7)显示器、示波器用开关电源；(8)医疗设备、试验仪器、汽车电子、液晶显示装置用开关电源；(9)文字书写机、个人计算机、传真机用开关电源；(10)复印机、速印机用开关电源；(11)电视机、录像机用开关电源；(12)游戏机用开关电源；(13)数字音响、电子乐器用开关电源；(14)磁带录音机、立体声录放机用开关电源；(15)插头式开关电源、充电器用开关电源和住宅设备用开关电源。  
分得这样细的原因是日本的直流电源市场占世界的50%-45%,品种多、用量大,可以针对各自不同的要求进行设计,有利于追求最佳性能和最低成本。在我国,开关电源市场的发展不及日本那样快、那样大、那样广,粗略的分为计算机用开关电源、通讯用开关电源、工业用开关电源、办公设备用开关电源、商业用开关电源和家用开关电源等六大领域来分析。
开关电源在市场发展中主要追求的指标是效率高、体积小(轻薄短小)、成本低。
1、效率
开关电源要求效率高的主要原因是节能和环保,也就是从“绿色电源”概念提出来的。因为节能后,由于直流开关电源量大面广,可以显著减少所需的电能,也就减少发电厂数量,减少发电厂排放的废气废水和灰尘对环境的污染。
现在要求100W以下的小功率直流开关电源效率超过85%。中大功率直流开关电源效率超过90%。
2、体积
开关电源追求轻薄短小,是它在市场发展中的热门话题,其中变压器和电感器的小型化是最大的难点,受到国内外专家们的普遍关注,表示它的指标是功率密度,希望能达到100W/IN3以上。
为了适应直流开关电源小型化的需要,首先是提高工作频率,其次是改变结构。工作频率提高到250Khz,比20Khz-40Khz,功率密度会显著增加。但是高频损耗也显著增加,改用新的磁性材料和线圈结构来解决。高频电磁干扰也显著增加,采用抗干扰滤波器和低磁致伸缩材料来解决。现在最高的工作频率已达到25-30Mhz,1-2Mhz在小型直流开关电源中已比较普遍。
1.2 国内外发展历史和现状
1955年,美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器,是实现高频转换控制电路的开端,1957年,美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器,1964年,美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想,这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。
到了1969年,由于大功率硅晶体管的耐压提高,二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善,终于做成了25千赫的开关电源。
目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源,虽已实用化,但其频率有待进一步提高。
要提高开关频率,就要减少开关损耗,而要减少开关损耗,就需要有高速开关元器件。然而,开关速度提高后,会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样,不仅会影响周围电子设备,还会大大降低电源本身的可靠性。其中,为防止随开关开启-关闭所发生的电压浪涌,可采用R-C或L-C缓冲器,而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过,对1MHz以上的高频,要采用谐振电路,以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波,这样既可减少开关损耗,同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃,因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零,而且噪声也小,可望成为开关电源高频化的一种主要方式。
当前,世界上许多国家都在致力于数兆HZ的变换器的实用化研究。

 

 

 

第二章  开关电源基本原理和主要拓扑结构
2.1开关电源的简化结构
开关电源的拓扑结构,多种多样,但目前市场上主要的拓扑结构,都可以简化为以下的电路图形式,主要由以下几个模块组成。
1、主电路。
从交流电网输入、直流输出的全过程,包括：
（1）、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
（2）、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。
（3）、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。
（4）、输出整流与滤波：根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。
2、控制电路。
一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。
3、检测电路。
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表数据。
4、辅助电源。
功能：提供所有单一电路的不同要求电源。
2.2  常用拓扑结构
  开关电源的分类方式有好多种, 按照输入和输出是否共地,可以分为两大类：隔离型和非隔离型,非隔离型一般都是由隔离型演化而来。
（一） 隔离型。
  隔离型的拓扑结构大致有六种,buck电路、boost电路、buck-boost电路、boost-buck电路、speic电路、zeta电路,后四种可以有前两种演化而来。
1、 buck电路,如图1所示：
buck变换器又称为降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。
开关管S在PWM脉冲的控制下,以固定的周期T开通和关断,开通的时间长短可以根据需要控制,设开通时间为Ton,那么输出电压可以以下面的公式计算：
             V0 =Vin * Ton/T
 
                 图1  
2、 boost电路,如图2所示：
boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型稳压电器。
开关管S在PWM脉冲的控制下,以固定的周期开通和关断,开通时,开关管的压降很小,电感中的电流线性上升,将电能储存为磁能,开关管关断的时候,电感中的磁能向负载电容放电,负载就获得了比输入电压高的输出电压。
设开关管的工作周期为T,导通时间为Ton,则占孔比为Ton/T,输出电压可以下面的公式计算：
                 Vo =  Vin / 1-D
 
             图2
  上面两种结构是最简单的非隔离型变换器,由它们不同的组合,又可以得到不同的拓扑。
  非隔离型拓扑的缺点主要有两个：一是无法实现多路输出；二是输出和输入是共地的,输入输出的电压比和电流比不能过大。
（二） 隔离型拓扑
   非隔离型拓扑的局限性,引入了另一种开关变换器中的重要组件—变压隔离器来实现输入和输出的隔离,从而产生了隔离型变换器。
  隔离型变换器主要有五种拓扑结构,反激式、正激式、推挽式、半桥式、全桥式。
  这些拓扑结构,又可以衍生成更多的拓扑,从而使开关电源的拓扑结构多种多样。这些拓扑结构,各有各的优点,所以用处也不同,200W以内的小功率,主要采用反激式和正激式,200W-500W的中功率,主要采用推挽式和半桥式,500W以上的大功率,主要采用全桥式。
1、 正激式拓扑如下图3所示,工作原理如下：
  开关管S在PWM控制下以一定的周期导通和关断,开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长；
开关管 S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断,变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源。
由于正激式变换器的变压器初级绕组属于单向磁化,磁化过程沿着变压器磁芯的磁化曲线上升。在下一个周期导通时刻来临之前,变压器磁芯必须回到初始磁化点,否则随着开关时间的增长,变压器的B值会逐渐增长,直至饱和,这时候的变压器初级绕组的电感就倾向于零,如果开关管S再次导通,过大的电流会烧坏开关管。
为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在开关管S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。
 
               图3
2、 反激式拓扑如下图4所示,工作原理如下：
 
                          图4 
反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感。
开关管S在PWM的控制下以固定的频率开通和关断,开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加；开关管 S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。
反激电路又因为其次级绕组中的电流情况分为两种工作模式：当开关管S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零,称为电流连续模式；当开关管S关断时,N2绕组中的电流已经下降到零,称为电流断续模式。
3、 推挽式拓扑如下图5所示,工作原理如下：
    推挽电路中两个开关管S1和S2交替导通,在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的波形,改变占孔比就可以改变输出电压。
开关管 S1导通时,二极管VD1处于通态,电感L的电流逐渐上升；开关管 S2导通时,二极管VD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升。开关管  S1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通。
 
                     图5
4、 半桥式拓扑如下图6所示,工作原理如下：
 
                 图6
开关管 S1与S2在PWM控制下交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压,改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压ud的平均值,也就改变了输出电压Uo。 开关管 S1导通时,二极管VD1处于通态,开关管S2导通时,二极管VD2处于通态。
由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
5、全桥式拓扑如下图7所示,工作原理如下：
 
                             图7
全桥变换器中,互为对角的两个开关管同时导通,同一侧半桥上下两开关管交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章 正激变换器谐振复位开环仿真
3．1 常用电源仿真软件saber简介
   Saber是Synopsys公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。与传统仿真软件不同,Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案,并对仿真算法进行了改进,使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时,建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。
Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。利用Synopsys公司开发的Calaversas算法,Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率,而且可以实现两个进程之间的信息交换,并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。Saber适用领域广泛,包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等。只要仿真对象能够用数学表达式进行描述,Saber就能对其进行系统级仿真。在Saber中,仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述,而无需采用电子宏模型表达式。因此,Saber可以对复杂的混合系统进行精确的仿真,仿真对象不同系统的仿真结果可以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题,Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真,一旦其中某一种算法失败,Saber将自动采用下一种算法。通常,仿真精度越高,仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。Saber采用其独特的设计,能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下,能够方便的实现与Cadence Design System和Mentor Graphics的集成。通过上述软件也可以直接调用Saber进行仿真。
    Saber软件主要包括SaberGuide、SaberSketch、SaberScope三部分,SaberSketch主要用于绘制电路图,而SaberGuide用于仿真控制,仿真结果可在SaberScope中查看。并且,目前Saber软件支持WindowsXP,Linux, UINX等多种平台。
利用Saber软件进行仿真分析主要有两种途径,一种是基于原理图进行仿真分析,另一种是基于网表进行仿真分析。
前一种方法的基本过程如下：
a、在SaberSketch中完成原理图录入工作；
b、然后使用netlist命令为原理图产生相应的网表；
c、在使用 simulate 命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动SaberGuide界面；
d、在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真；
e、仿真结束以后利用CosmosScope工具对仿真结果进行分析处理。
在这种方法中,需要使用SaberSketch和CosmosScope两个工具,但从原理图开始,比较直观。所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析。但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦。
而另一种方法则正好能弥补它的不足。基于网表的分析基本过程如下：
a、启动SaberGuide环境,即平时大家所看到的Saber Simulator图标,并利用load design 命令加载需要仿真的网表文件；
b、在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真；
c、仿真结束以后直接在SaberGuide环境下观察和分析仿真结果。
这种方法要比前一种少很多步骤,并可以在单一环境下实现对目标系统的仿真分析,使用效率很高。但它由于使用网表为基础,很不直观,因此多用于电路系统结构已经稳定,只需要反复调试各种参数的情况；同时还需要使用者对Saber软件网表语法结构非常了解,以便在需要修改电路参数和结构的情况下,能够直接对网表文件进行编辑。
由于 Saber软件的功能强大,用户群众多,软件的更新速度也很快,目前最新的版本是Saber® Y-2006.06-SP2,启动界面如下图8：
 
                       图8  saber的工作窗口
3．2 单端正激变换器谐振复位电路的开环仿真
    在开关电源变换电路中,单端正激变换器由于具有电路结构简单、工作可靠性高等优点,而广泛应用于中小功率变换场合。
在单端正激变换器中,由于变压器的铁芯是单方向磁化的,为了防止铁芯磁饱和而导致的开关器件损坏,必须采取相应的措施使变压器的铁芯磁复位。常见的磁复位方法有复位绕组复位、谐振复位、RCD复位、LCD复位以及有源箝位复位等。它们各有优缺点,其中谐振磁复位所需的器件少,磁能循环利用-效率高,适合于高频变换器。
谐振磁复位电路是利用电路中开关器件寄生电容与变压器励磁电感的自激振荡来实现磁复位,其主电路的拓扑结构如下图所示：其中Cs是开关管的结电容,Lm是变压器的励磁电感。
开环仿真电路图如下图9所示：

 

                         图9  开环模型
图中开环模型中的元件参数如下图：
输入：20V,输出：8V,
负载电阻：16欧,
输出电流为0.5A,
开关管采用MTP3N100E,其驱动脉冲参数如下图10所示：
高电平为15V,低电平为0V,周期为10u,脉宽为4u,占孔比为0.4,
               
                        图10  开关管驱动脉冲参数
输出滤波电感,应尽量工作在电流连续模式,因此,值应该尽量大,使流过的电流峰峰值,在输出电流的10%上下波动,可以根据下列公式算出：
    Vin/L * 4u =0.2 * 0.5A,
算出滤波电感至少应为800u。
其余器件,均采用Saber默认模型。
仿真步骤如下：
1、 首先输入原理图,连线,设定参数。
2、 运行netlist,生成网络表。
3、 运行DC直流偏置点分析,计算出电路的静态工作点。
4、 运行瞬态分析,因为电路的工作周期为10u,这里运行50个周期,即500u,仿真步长为100n。
各个步骤运行结果如下：
  
                       图11 静态工作点分析
 
                   图12 瞬态分析参数
运行完成后,电路各关键点的波形结果如下：
1、输入电压如下图13所示,因为要去掉后级整流二极管的压降,稳定后在7V左右,
                    图13 输出电压
2、变压器初级绕组两端的电压波形如下图15所示：
 
                       图14 变压器初级绕组两端电压
3、开关管两端的电压波形如下图15所示：
 
                     图15 开关管两端电压
4、次级滤波电感两端的电压波形如下图16所示：
 
                    图16  次级输出滤波电感两端电压波形