基于Saber的反激式开关电源的仿真研究

陈 青，熊 蒙

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于Saber的反激式开关电源的仿真研究

陈 青，熊 蒙

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

反激式开关电源因成本低、外围元器件少、可宽电压范围输入能耗小、支持多组输出而备受欢迎，但因输出电压纹波大而严重影响其工作性能。从反激式开关电源的工作原理出发，采用反激式开关电源输出端增加输出滤波电路的方法，解决反激式开关电源输出电压纹波大的问题。运用Saber仿真软件分别对普通反激式开关电源和增加 输出滤波电路的反激式开关电源进行建模和仿真。试验仿真对比表明，通过该方法可改善反激式开关电源的输出电压纹波，提高了反激式开关电源的工作性能。

反激式开关电源；Saber；滤波电路

CHEN Qing, XIONG Meng

(School of Optical-Electrical & Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

随着电子信息产业的发展，小型化、薄型、高频、低噪声以及高可靠性成为开关电源的主流发展方向[1]。PSPICE、MATLAB 等各具特色的电子设计自动化软件的出现，改变了以定量分析、传统的电路实验为基础的电路设计分析方法，大幅提高了电路设计的效率[2-3]。

Saber仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，是多领域、多技术的系统仿真产品，现已成为混合技术设计、混合信号和验证工具的业界标准，可用于电力电子、电子机械机、电一体化、光电控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可解决从系统开发到设计验证等一系列问题。在Saber中建立模型，可仿真分析产品设计中可能遇到的问题，对于降低产品的设计费用，缩短产品的研发周期具有重要作用[4]。

在反激式变换器中，输出端存在着较大的纹波电压[5]。这一问题可通过增大滤波电容或在输出端增加 滤波电路解决。通过增大滤波电容能很好地满足纹波要求，但由于电路设计成本高或普通电容电流指标无法满足要求。为获得较小的纹波电压，本文提出在反激式开关电源的输出端增加一个 滤波电路，使输出的电压纹波得到改善，并通过Saber软件建模仿真，验证其适用性。

1 反激式开关电源的工作原理及模式

1.1 反激式开关电源的工作原理

反激式开关电源的基本电路主要由输入电压源、变压器、功率开关管、整流二极管和输出滤波电容、负载组成[6]，其电路结构如图1所示。

图1 反激式开关电源基本电路

当VT导通时，加正向脉冲VT导通，输入电压加在变压器的一次绕组L1上，初级绕组L1相当于电感，开始储存能量。因变压器一二次级绕组同名端相反，所以二极管D2反向而截止，二次侧无电流流动，负载由储能滤波电容C的放电而提供电能。

当VT截止时，驱动脉冲下降为零VT截止，变压器二次感应电压使二极管D2导通，变压器一次侧电流逐渐降到零，线圈释放储存能量，耦合到变压器的二次侧，从而给C充电，同时给负载R提供输出电流。

1.2 反激式开关电源的工作模式

反激式开关电源根据功率开关管的输入波形的不同占空比，可将工作模式分为3种：连续工作模式(CCM)、临界连续模式(BCM)和断续工作模式(DCM)[7-8]。

CCM模式

(1)

DCM模式

(2)

占空比

(3)

式(1)～式(3)中，Uo为负载电压；Uin为输入直流电压；Io为输入电流在一个周期内的平均值；N为变压器的变比；Ts为开关管的开关周期；Ton为开关管的开通时间；L1为变压器原边的电感。

2 反激式开关电源的滤波设计

反激式开关电源的拓扑结构如图2所示，通过增大输出滤波电容Co或者增加LC滤波电路，可有效改善纹波过大的问题。

图2 反激式开关电源的拓扑结构

2.1 加大输出滤波电容Co

在不考虑电容ESR的情况下，将输出滤波电容Co的容值增n倍，输出纹波则对应降低n倍。一般情况下，可通过调整Co的大小满足任何需要的纹波要求。然而在某些情况下，无法通过调整Co的大小获得需要的输出纹波例如，满足需要的纹波时，需要的Co过大，成本和体积不允许；在接近短路运行时，普通电容的电流指标不能满足要求；逆变系统不允许过大的Co存在。因此，常在输出端增加LC滤波电路来减小纹波的脉动[9-10]。

2.2 增加一级 滤波

LC滤波电路如图3所示。

图3 滤波电路

3 滤波电路在Saber的建模与仿真

3.1 模型的建立

本文利用Saber软件，搭建了反激式开关电源电路模型，并进行了仿真。带输出LC滤波的反激开关电源的模型如图4所示。

图4 带输出滤波的反激开关电源的模型

3.2 仿真结果与分析

上述反激式开关电源的输入电压为 375 V,开关管采用spw11n60s5，开关频率为50 kHz，期望得到的输出电压为DC20 V。图5是普通反激式开关电源电路输出电压及输出纹波电压的波形图。图6是带有LC输出滤波电路的反激式开关电路输出电压及输出纹波电压的波形图。由图5和图6可知，带有LC输出滤波电路的反激式开关电路的输出电压更加平稳，尖峰电压减小，输出纹波得到改善，输出电压稳定保持在20 V,达到了开关电源的设计要求。

图5 普通反激式开关电源输出电压波形

图6 带输出滤波反激式开关电源输出电压波形

4 结束语

本文分析了反激式开关电源的工作原理，提出了两种低成本的减小输出电压纹波方法，即通过在反激变换器中增大输出滤波电容的容值，或在电路的输出端增加一个LC滤波电路。利用Saber仿真软件对普通反激式开关电源、带有输出滤波电路的反激式开关电源进行了建模和仿真，仿真结果对比表明，在输出端增加LC滤波电路，不仅成本低、功耗小，还可有效改善反激式开关电源的输出电压纹波，为实际电路设计提供了理论基础。

[1] 李葳,殳国华.基于MULTISIM的反激式开关电源的仿真[J].电气自动化,2010,32(2):26-29.

[2] 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真,2007,24(12):306-308.

[3] Gao Ting,Sun Yufeng,Zhao Guangyan.Analog circuit fault simulation based on saber[C].Chengdu:International Conference on Computational and Information Sciences IEEE Computer Society, 2011.

[4] 王建秋,刘文生.Saber仿真在移相全桥软开关电源研发中的应用[J].电力电子,2009(4):30-33.

[5] Zhang Guoping,Wang Weijun,Mao Longbo,et al.Analysis and simulation of single-stage flyback converter based on saber[C].Beijing:International Conference on Computational and Information Sciences (ICCIS),2012 Fourth International Conference on IEEE, 2012.

[6] 房媛媛,秦会斌.反激式开关电源传导干扰的Saber 建模仿真[J].电子器件,2014,37(5):958-960.

[7] 靳文汇,范蟠果,闫少雄,等.一种反激式开关电源变压器改进设计方法研究[J].电力电子技术,2009,43(1):62-63.

[8] 陈希有,刘凤春,李冠林.全桥整流LC滤波电路电感电流连续性判断方法[J].电气传动,2011,41(2):28-31.

[9] Li Longtao,Wang Lixin,Lu Chao,et al.A simulation of conducted EMI in flyback converters [C].Lanzhou:7th International Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC), IEEE,2012.

[10] 方宇杰,苏秉华,杭凌侠.开关电源纹波抑制研究[J].现代电子技术,2012,35(10):136-138.

Analysis and Simulation of Flyback Switch Power Based on Saber

Due to the low cost, less peripheral components, wide voltage range input, low energy consumption, and support for multiple outputs, the flyback power switch is very popular, but the output voltage ripple seriously affects its performance. We add an LC filter circuit in the output thus obtaining a small output voltage ripple and good performance. Simulation results show that the output increase of LC filter circuit is effectively improved by our method.

flyback switch power; Saber; filter circuit

2016- 01- 11

863计划基金资助项目(2012AA050206)；上海自然科学基金资助项目(12ZR1420800)；上海理工大学国家级项目培育课题(201621)

陈青(1962-)，女，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：电力电子与电力传动。熊蒙(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：电气工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.004

TN256

A

1007-7820(2016)10-012-03