DC/DC开关电源的设计与实现*

赵筱赫，毛景魁

（河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000）

1 前言

开关电源因体积小、重量轻、功耗低、输出功率大等优点广泛应用于计算机、通信、航天等领域［1］。由于在开关电源线路中存在开关元件的导通和截止、感性元件的储能和释能，以及容性元件的充放电等因素，会产生较大的电压纹波，电压纹波的干扰会形成成分更加复杂的谐波，并耦合到输出端，使系统出现较大的噪声［2－4］。因此，在设计开关电源时，必须首先确定电压、电流纹波，计算相应的电感和电容，并据此对电路进行仿真与实际验证，才可确保设计的可靠性。

一旦选定电源的电路拓扑后，即可根据拓扑电路设计功率变换电路、占空比、变压器匝数比和输出滤波器。对于仿真来说，仿真电路原理图通常是开环的，反馈不能根据输入电压的变化控制开关管，并校正输出电压和电流，因此，仿真往往是对于给定的占空比，验证输出电压是否正确，输出的纹波电压和纹波电流是否满足设计要求。

传统的仿真一般采用matlab进行，需要计算需要仿真的传递函数，并设定收敛条件，这对于难以测定传递函数的开关电源来说，是一件既费时效果又不理想的事。Saber软件以其优越的性能非常适用于开关电源电路的仿真和分析，这主要由其丰富的元件模型所决定的。

Saber是美国Analogy公司开发的系统仿真软件，主要用于电子、电力电子、机电一体化、机械、水力、控制等领域的系统设计和仿真。Saber的分析功能主要有:DC analysis(直流分析)，用于计算设计的工作点;Transient(瞬态分析)，确定系统的时域响应;AC(频域响应分析)，分析系统随频率变化的响应特性;傅里叶和FFT(傅里叶和快速傅里叶变换分析)，将时域波形变换为频谱;iFFT(快速反傅里叶变换分析)，将频域波形变换为时域波形［5］。

2 电路的参数计算

本文以一个降压型DC/DC开关电源变换电路为例，详细讲述开关电源的设计与仿真验证过程。所设计的 DC/DC开关电源的指标如下:开关频率:200KHz，输入电压:150±6VDC，效率85%，输出电压15.0VDC，输出纹波电压:25mVpp，输出纹波电流100mApp，最小负载电流50mADC。

需要计算的参数或设计的电路主要有:占空比和变压器的匝数比的计算，输出滤波器的设计。

2.1 占空比和变压器匝数比的计算

2.1.1 计算占空比

在功率变换器中，输出电压和输入电压、占空比、匝数比之间的基本关系如式(1)所示:

其中，Vout为直流输出电压;n为匝数比;D为占空比。

已知Vout=1.5VDC，Vin=150VDC。功率变换器的占空比不小于0.5，选取0～0.5之间的数，如0.3。则有:15≈150×() ×0.3，据此，可计算出变压器的匝数比n，如式(2)所示:

因此，变压器匝数比约为3。

2.1.2 计算最大、最小和额定占空比

占空比可按照式(3)计算:

此处，Vd1为二极管的导通压降，Vd2为二极管的关断压降。假设它们相等，则式(3)可简化为:

最大占空比为:

式中，n=3，Vin(min)=150VDC －6VDC，Vin(min)=144VDC，Vout=15V，Vd=0.85V，代入式(5)，则有:

计算出的占空比为0.3302在0～0.5的范围内，可以用于功率变换器。

最小占空比为:此处，Vin(max)=156VDC，代入式(7)，有:

额定占空比为:

此处，Vin(nom)=150VDC，代入上式，有:

计算出的额定占空比比所选择的占空比(0.3)大，这是因为考虑到二极管的压降损耗。

2.2 输出滤波器的设计

输出滤波器设计的关键在于输出电感、输出电容和电容的等效串联电阻(ESR)的计算。通过滤波电感的电流在开关管关断时下降，其波形如图1所示，电感的最大峰－峰电流值由最小负载电流决定(I(min)=0.05A)。

图1 通过滤波电感的电流波形

如果负载电流低于0.05A，滤波电感中的电流将会出现零值，功率转换器将工作于断续模式，如图2所示。

图2 最大纹波电流

为避免电流的断续，滤波电感中的电流在开关管关断时不能为零(最小负载电流为0.05A)。因此，铝箔电感中的峰－峰电流值被限制为0.1Ap－p。

2.2.1 滤波电感的计算

滤波电感两端的电压计算，如公式(11)所示:

2.2.2 输出电容的计算

纹波电流来自于电感，而纹波电压取决于输出电容。式(12)用来计算输出电容的大小:

式中，Iripple=0.1A，f=200KHz，Vripple=0.025V，代入式(12)，可计算出输出电容，如式(13)所示。

2.2.3 电容的等效串联电阻(ESR)的计算

电容的串联等效电阻(ESR)为:ESR=△V/△I=0.025/0.1=0.25Ω，因此，电容的串联等效电阻不能超过0.25Ω，否则，纹波电压将会超过规定值。

3 电路原理图及仿真设定

3.1 原理图设计

在Saber的原理图设计窗口中新建一张原理图。根据上述的参数，绘制仿真电路原理图如图3所示。

图3 仿真原理图

3.2 仿真设定

点击Saber时域分析设置(Analysis－＞Time－

－Domain－＞Transient)页，进行仿真控制设定，主要设定如下:

4 仿真结果

完成上述仿真设定后，点击OK按钮，将执行仿真，执行500us的瞬时响应的仿真操作，每一个信号的仿真结果波形保存于仿真原理图所在的文件夹中，称为tr绘图文件，仿真结果在ComosScope中以时域波形显示。

在ComosScope中，选取输出电压和滤波电感电流信号，绘制滤波电感的电流波形i(l.l1)和输出电压波形Vout，如图4所示。

由图4可以看出，输出电压快速上升至15V后稳定，纹波电压约为25mVp－p;滤波电感电流快速上升到2mA后稳定，纹波电流为100mAp－p，这与设计初始目标相吻合。

图4 启动时的输出电压和电感电流

5 结论

本文以一个DC/DC降压型开关电源的设计与仿真为例，详细说明了DC/DC开关电源的设计与仿真过程。仿真结果证明，采用Saber软件进行开关电源电路的设计与仿真，快速方便，人机界面友好，便于结果分析。Saber以其丰富的模型和快速的仿真算法，不仅可以快速地出现仿真结果，而且仿真结果比较符合实际情况，图形直观，便于对仿真电路进行分析和校正，为开关电源的设计提供了一个强有力的工具。

［1］肖永军，周传璘，曾庆栋.Buck DC/DC变换器输出电压纹波的仿真研究［J］.实验技术与管理，2009，2(26):87 －89.

［2］Hiroki Hyakutake，Koosuke Harada.Analysis of output voltage ripple caused by ESR of a smoothing capacitor for a low－voltage high－current buck converter［J］.Electrical Engineering in Japan，2003，143(2):59－66.

［3］王永平，付敏江.开关电源稳压原理——原理设计与实用电路［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001.

［4］张兰芸，姜孝华，何振辉，等.Buck DC/DC变换器的研究与设计［J］.电力电子技术，2007，41(8):45 －47.

［5］刘康珍，张延年.用Saber作交直交系统仿真［J］.电气开关，2008，6:63 －64，66.