一种多输出反激式开关变换器的仿真设计

胡思诚，刘东立，龚星易，蒋炳瑞，刘 佳

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引 言

反激变换器在日常生活中得到了广泛应用，尤其是小功率场合，但是随着电子设备用量的日益增多，多路输出电源的市场需求也日益增大[1]。针对多用途直流电源设备的使用需求，从电气隔离、环路控制、整体效率以及拓扑结构等方面进行综合分析，设计了一种反激式多路输出开关变换器[2]。

1 原理分析

从安全角度考虑，将buck-boost电路的单个电感变成双边绕制电感后，对输入端和输出端进行电气隔离，形成了反激变换器初等模型，电路原理如图1所示。

图1 buck-boost电路插入隔离电感后图

开关管Q导通时，原边线圈磁场发生变化，产生的内电场抵消了外电场，原边电场开始储能，副边线圈感应电动势上正下负，但二极管处于D反偏状态，因此副边线圈中无电流流过。开关管Q关断时，原边线圈电压为上负下正，副边线圈同为上负下正，但输出为负，二极管仍然不导通。此情况下，线圈只有正的伏秒积没有负的伏秒积，因此需改变线圈同名端，得到如图2所示的结构，即反激变换器原理图。

图2 反激变换器原理图

开关管Q导通期间，线圈原边开始储能，原边电压上正下负，副边电压下正上负，因此二极管D不导通。开关管Q断开期间，线圈原边电压下正上负，副边电压上正下负，二极管D导通，线圈开始放能。储能放能的过程中，线圈达到了伏秒积平衡。

从反激变换器结构分析，它能较简单地从电源中得到多路输出，线圈既起着扼流的作用，又起着变压、隔离和储能的作用，只需一个二极管和电容就能得到不同的输出。基于以上工作原理，设计了一种交流输入、输出为±5 V的多路直流输出反激变换器。

系统采用交流输入，由输入整流电路、输入滤波电路、DC/DC变换电路、输出滤波电路、驱动电路、控制电路、采样反馈电路以及辅助电源电路组成，如图3所示[3]。

2 实验测试

设计采用MATLAB/Simulink软件对主电路及控制电路进行仿真，根据控制芯片的原理，仿真结果应该是由超调震荡到逐渐稳定的输出电压，且输出电压最后稳定在输出值。根据芯片和电路的结构原理，在Simulink环境下搭建的仿真模型如图4所示。

图3 系统整体结构框图

首先，三角载波与电压补偿调制信号在振荡器上升沿触发的条件下产生PWM信号，其中PWM信号的产生是通过比较器和PID调节器共同作用实现的。其次，将输出电压采样值与固定参考值进行比较，将其输出值接到5 V参考的反相端，输出结果经过PID调节后再与锯齿波比较，达到控制输出占空比的目的。最后，通过PWM信号控制主电路开关管的通断，将输出结果在示波器Scope上进行仿真输出。

理论上，控制芯片输出的每路驱动波形最大占空比可达50%，但是根据实际情况，在留有一定死区的条件下，使最大占空比设置为0.43。经过适当的参数调整后，即可在示波器界面得到仿真输出波形。通过如图4所示的仿真电路得到仿真结果，其±5 V的输出结果如图5所示，其中对于纵坐标有±1 V/格，横坐标有1 ms/格。

图4 仿真电路图

图5 ±5 V输出电压波形

由图5可知，仿真结果与理论分析一致。整个电源系统经过超调震荡后，稳定在相应的输出值，成功证明了总体方案的正确性和可行性。通过仿真得到的输出波形可以得出结论：整个电源系统具有稳定性，能够得到相应的输出值，在实际生产中具有实际应用价值。

3 结 论

本设计的研究对象是多输出反激式开关电源，分析其工作原理和组成结构，对反激式开关电源进行仿真设计，从实际运行模型角度考虑，并在仿真软件中进行模型仿真。在MATLAB/Simulink仿真软件中对反激多输出电路系统进行仿真，得到±5 V输出电压，验证了系统整体的准确性与可行性。