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大功率直流开关电源恒流控制电路仿真研
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大功率直流开关电源恒流控制电路仿真研

作者:admin   发布日期:2018-11-08 23:14   信息来源:http://www.nenghua003.com/

摘 要:在电子信息技术的不断发展过程中,大功率开关电源在现代电子信息通讯领域具有举足轻重的地位,并且成为相关研究人员研究的热点领域??氐缭匆云浣舸盏奶寤?、轻量化的设计和较高的电能转换效率等优点,成为目前国际主流的电气设备的电源。本论文主要设计的电路是大功率直流开关电源恒流控制电路,并针对此设计电路进行仿真研究。
关键词:恒流开关电源;Protel;Multisim ;恒流控制电路
      本论文大概介绍了开关电源的发展现状及其未来的发展前景??氐缭吹南喙刈槌傻缏返墓ぷ髟?。又对论文涉及到的仿真软件Protel及Multisim做了介绍。本论文是针对目前已经设计出的20kw大功率直流电源恒流控制??樵诳刂品绞降确矫娼邢低车姆抡嫜芯抗ぷ?,得出适合本课题的最优控制模式。在控制电路的设计中选用的控制器为SG2525PWM控制芯片,在运算放大比较控制部分选用了LM224运算控制放大器。再设计出原理图后,对所设计的恒流控制电路进行分块模拟仿真,而此恒流控制电路可分为电流采样???、电压采样???、稳压???、输出端??樗拇竽??,完成各个??榈姆抡嫜芯考胺抡娼峁员戎?,使我们设计的恒流控制电路进行了充分验证,为电路的下一步现场调试做好准备。  
1 绪论
1.1背景
      在信息化快速发展的21世纪,人们的衣、食、住、行往往都离不开电子产品的伴随,甚至人们对这些电子产品产生了依赖性,而且这种依赖性越来越强。而电子产品的使用都离不开一个最重要的元件—电源,本设计研究的开关电源是一种比较优良的电源,其与传统线性电源相比,其结构更加紧凑,设计更加轻量化,电能转换效率高等优点,使其成为目前各类电子产品的主要电源,尤其是高频开关电源,应用更为广泛。
1.2国内外现状
      由于开关电源的种种优点使其在通信领域得到了广泛应用,是通信领域中主流的能源供应形式,极大的促进了通信领域的飞速发展,反之,通信领域的发展反作用于开关电源使之快速发展。
      自从可控硅于1957年被发明出来后,可控硅就应体积小、质量轻、效率高而替代了硒或氧化亚铜整流器件,成为通信领域电气设备的主要电源而使用。在这之后的几十年中,可控硅整流器的性能随着半导体技术的不断进步而得到了极大的提升,基本上满足了通信领域对电源的需求,因而,在20年中可控硅整流器仍被西方发达国家作为主要的通信设备的电源使用。
      晶闸管的开通时刻可以控制,收到了普遍的欢迎。正因为可以在高电压、强电流的实际应用中仍能保持稳定的工作状态,所以其在大功率、大容量市场占有主导地位。
      在20世纪60年代末,由于大功率晶体管的耐压升高与二极管反向恢复时间大为缩短,制成了25KHz开关电源。在之后的几年中,开关电源的拓扑结构与辅助器件得到了极大的发展??⒊隽松拐恫ǖ缏?、降压斩波电路、半桥电路、全桥电路等开关电源拓扑结构电路,可工作于不同功率、容量、温度等场合。
      随后,开关电源电路多采用全控型器件即PWM脉宽调制方式,PWM控制技术是电力电子技术中主流的控制方式,在直流斩波、逆变、整流等控制领域均可使用。PWM控制技术极大的改善了电路的性能。与此同时以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的新型器件研制出来,使电子器件的体积不断缩小。
      开关电源的发展在我国起步较晚,直到上世纪八十年代,由于国家的通信事业的发展需要,开始加强了对通信电源研究,制订了一系列有关开关电源研究工作的文件。先后从国外引进了一批新型的通信开关电源,从这些引进的通信开关电源中我国的科研人员汲取了先进的相关技术,结合我国的开关电源发展的实际情况,开发出适合自己的电源技术。在之后的几十年中,我国在电源技术的发展迅猛发展,现在已处于国际先进水平。这也促使我国的通信电源技术也得到了极大的提高。
1.3发展趋势
      高集成化的开关电源在21世纪以来得到了快速发展,代表了开关电源未来的发展方向。但这会造成电路面临电磁隔离、电子元器件发热隔离及电压隔离等问题,这对电力电子的制造工艺提出了更加严苛的要求。而在电力电子制造工艺出现进展之前几乎不会有多大发展。但在电力电子的理论研究取得了不小的进展。
      开关电源与传统线性电源相比,各有千秋,尽管开关电源在设计的时候比较复杂,而且在某些方面还不如传统线性电源,并且噪声较大,但是因其在电源效率、体积等方面表现出来的显著优势,而被更加广泛地作为动力之源,也成为了稳压电源的发展方向, 尤其是利用开关电源构成的大功率稳压电源,其体积在相同输出功率的情况下,远远小于传统线性电源,而且大大降低了成本。
      开关电源本身消耗的能量极低,其用到的控制电路有两种:PWM控制器和PFM控制器。随着工作频率的不断提高,效率也越来越高,其输出功率有小功率、中功率、大功率,本设计所研究的就是大功率开关电源恒流控制电路仿真研究。
      开关电源优势明显,其缺点主要是电压调整率以及负载调整率较差,在工作中,当负载发生变化时,其产生瞬态响应需要较长的时间,而且开关电源输出的纹波电压、噪声电压均不小,这样容易对外部的电子设备产生电磁干扰??氐缭吹姆⒄骨魇?
      1.小型、薄型、轻量化;
      2.高效率、低噪声、高可靠性;
      3.??榛?;
      4.电源系统的管理和控制;
      5.计算机辅助设计。
      综上所述,开关电源是一种主要以PWM控制器为核心的集成化、智能化、??榛奈妊沟缭?。
1.4本文研究内容
      本文以开关电源恒流控制电路为研究对象,查阅与开关电源及恒流控制的中英文图书、期刊、报纸,并充分利用了互联网上的资料,使用电力电子计算机仿真软件(Multisim)做了如下的工作:
      1.了解开关电源的发展历史及前景展望。论文从开关电源的背景、国内外的发展现状及发展趋势三个方面介绍了开关电源。
      2.了解开关电源及开关电源控制电路基本理论。介绍了与开关电源相关的四种电路:升压斩波(Boost)电路、降压斩波(Buck)电路、半桥电路及全桥电路,简单介绍了PID控制、模糊控制及几种常见的PWM控制电路。
      3.学习掌握了相关软件Protel及Multisim。简单介绍了Protel DXP 2004软件的主界面及其特点,重点介绍了Multisim 11.0的主界面、特点、版本、发展趋势及其可实现的功能。
      4.完成恒流控制电路电路设计及仿真。设计出大功率直流电源恒流??榈缏吠?,并分为四个??椋旱缌鞑裳??、电压采样???、稳压???、输出端???。分别这对这四个??榧罢宓缏纷隽讼嘤Φ姆抡?,并进行了分析。
2 开关电源及开关电源控制电路基本理论
2.1 开关电源基本电路
      开关电源基本电路有很多,在这里我们简单介绍升压斩波电路、降压斩波电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路四种电路。
2.1.1 升压斩波电路
      图2.1 升压斩波电路原理图
      如图2.1为升压斩波电路原理图。假设电路中产生数值很大的电容C、电感L,当V导通时,整个电路可以分为两个部分来进行讨论。在其中的一部分电路当中,当中的电感L在电源E的作用下充电,充电电流基本恒定;在另一部分电路中,电阻R的电能由电容C放电提供。正是由于大电容C的调理作用,才使得让输出的电压基本保持恒定。当电路中的绝缘栅双极晶体管的导通时间为,电感L在这段时间内储存的能量为EI1ton,当电路中的绝缘栅双极晶体管断开时,电源E与电感L一并为电容充电,并向电阻R供电。在此阶段电感L释能为。当升压斩波电路处在平稳的运行状态时,单个周期T内,电感L储存的能量等于其释放的能量,即
                             (2.1)
      即
                  (2.2)
      其中,,则输出电压大于电源E电压。
      式(2.2)中表示升压比,可见只要改变升压比的值,就可以实现对电路输出电压的调整,将其的倒数记为,和占空比关系如下
                                                      (2.3)
      若忽略电路损耗,则
                        (2.4)
      则,电源电流为
                  (2.5)
2.1.2 降压斩波电路
      图2.2降压斩波电路原理图
      如图2.2所示,降压斩波电路主要作为供电电源使用,其应用范围较广泛,如电力电子、直流电动机等元件都以此为电源,值得一提的是,其作为直流电动机的电源时,在电路中会产生反电动势,若无反电动势时,令即可。
      在降压斩波电路中,当V刚刚导通时,电路为串联电路,电源直接驱动负载,这时负载的电压与电流会以指数函数的形式增加。经过一段时间后,电路中V截止,这时流经负载的电流经续流二极管VD续流。此时,负载电流与电压呈指数形式下降,且脉动小。
电路经过一个完整的周期T后,工作在稳定状态,经分析可知,负载电流的周期初值和周期终值相等,而负载电压的均值为
                  (2.6)
      式中,与为V的导通时间和关断时间,为导通占空比。负载电流平均值为
                            (2.7)
2.1.3 半桥逆变电路
      图2.3 单相半桥电压型逆变电路图
      在图2.3所示的单相半桥型逆变电路中存在两个桥臂,它们的构成元件包括可控器件与反并联二极管,电路中的电容值要尽可能的大。
      当V1或V2处于导通状态时,电路中的直流端给负载供电。此时,负载电流方向和电压方向相同;当VD1或VD2为导通状态时,负载电感放电,将吸收的无功能量送出,向电路的直流端进行电能的反馈,负载中电流和电压反向。在反馈机制中,电感所储存的无功能量被直流侧的电容吸收,进行储存,而直流侧电容的这种吸收则缓冲了无功能量。二极管VD1、VD2起到的作用主要有两点:一是搭建起负载向直流端能量的反馈通道,二是起到使负载电流连续的作用。
2.1.4 全桥逆变电路
      图2.4单相全桥逆变电路图
      在图2.4所示的电路中,有四个桥臂,其中,桥臂1和4可以看作为一个半桥电路,桥臂2和3可以看作为另一个半桥电路。这样一来整个电路可以当作两个半桥电路的结合体,当某一对桥臂同时导通时,两组桥臂交替各导通180度[3]。
2.2 开关电源控制电路
      在开关电源电路中,控制电路系统是其重要的组成部分。直流-直流变换器为控制电路提供合适的驱动脉冲,使控制电路工作有效可靠。若开关电源的控制电路设计不合理或工艺不过关,会使开关电源的性能不能完全地发挥出来,或直接导致无法正常工作,发生电路故障,损毁电路中的电力电子元器件,致使开关电源毫无作用。
2.2.1 控制电路基本理论
      依照开关电源电路的具体功能的不同,将开关电源控制电路的主要构成分为?;さ缏?、辅助电源电路、脉冲触发电路、软起动电路、反馈电路等电路???。其具体开关电源控制电路的拓扑结构如图2.5所示??梢源油?.5看出,控制电路的核心主要由脉冲触发电路构成,通过脉冲触发电路、反馈电路、?;ぜ叭砥鸲缏返饶?椴刂频缏匪璧穆龀逍藕?,而后脉冲信号通过放大电路的放大,之后驱动开关器件的工作,即开关管的导通与关断。
      如图2.5所示控制框图中,电压反馈控制电路在采集输出电压后,将采集的输出电压与设定的电压作比较,从而得出误差信号。在这之后所得出的误差信号,经过PI处理得到控制电压,终端控制电压在脉冲产生电路的调制下,产生所需的脉冲宽度,同时对输出电压也进行了调节。
通过控制电路产生的控制信号即PWM信号,其大小好不能驱动大功率开关电源,所以又在电路中加入与设计大功率直流开关电源相匹配的驱动电路。此驱动电路将控制电路供给的控制信号通过功率放大与电压调整,得到新的信号去驱动大功率开关电源。
      图2.5 电源控制电路框图
      由于从电源输出电压的滤波电容比较大,这会使输出电压施加的电路产生很大的电容充电电流,使负载电流快速增大,这不仅可能造成开关管因超负荷而损毁,通常情况下,过电流会持续较长的时间将,?;さ缏坊嵩谡庵智榭鱿路⑸蠖?。此外会降低?;さ缏返牧槊粜?,这又会不能保证整个线路的安全性,容易造成在线路闭合时产生过冲。而这种过冲在足够大时就会对负载造成损害。且反复的过电流也会对电力电子器件本身造成损害。为了避免这种情况的发生而在开关电源控制电路加入软起动电路,软起动电路可以产生一个逐渐上升的脉冲输出,在电源合闸或重启时提供输出??刂频缏芬灿幸桓鲋鸾ソ⑹涑雎龀宓氖奔?。 
2.2.2 PID控制
      如今,闭环自动控制是基于反馈概念以减小系统的不确定性。测量、比较及执行三部分构成了反馈理论的核心。测量是指被控制对象的实际值,比较是指测量值与设定值相比较得出两者的误差,执行是指用得出的误差调节控制。在现实应用中,被广泛应用的控制器为PID控制,也被称为PID调节。
      PID控制器作为一种常见的应用器件,广泛的用于工业控制领域,其主要由三个单元组成,即比例单元(P)、积分单元(I)、微分单元(D)。其中比例单元是PID控制基??;积分单元可以消除稳态误差;微分单元则可缩短控制系统响应时间。如图2.6为PID控制流程图[5]。
      图2.6 PID控制流程图
      比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成PID控制器。其输入e(t)与输出u(t)的关系为:
                 (2.1)
      式中积分的上下限分别是0和t。
      因此它的传递函数为:
                             (2.2)
      其中—比例系数;—积分时间常数;—微分时间常数。
      系统误差是PID控制器的基础,它的控制环节由比例、积分及微分组成。
      1.比例控制:比例控制是在所有的控制方式中是最简单的控制方式之一,其输入与输出误差信号成比例,在系统的控制中,当只有比例控制时,则会产生稳态误差,并且这个稳态误差会随比例的增加而增大。系统的稳定性会随着比例的降低而下降。
      2.积分控制:积分控制环节中的输入与输出误差信号积分成正比例关系。对于一个自动控制系统而言,如果在稳定状态时产生稳态误差,就可以认定这个系统存在稳态误差。为了消除稳态误差,可以通过将“积分项”引入积分控制器的方式,而积分项消除稳态误差与时间的积分有关,积分项会随着时间的增加而增大,稳态误差会随着时间的增加而不断减小,直到零为止。比例与积分的组合使系统在稳态时的稳态误差为零。          3.微分控制:顾名思义,就是在控制的过程中,其输入与输出信号误差的微分(误差变化率)成正比。自动控制系统在消除误差的过程中,会导致系统的振荡,严重的导致系统失衡。正是由于惯性组件与滞后组件存在于系统中,让系统的变化量常常先于误差变化??梢允挂种莆蟛畹氖奔?ldquo;超前”于系统变化,使误差为零时对误差的抑制作用也为零。
      从比例控制、积分控制和微分控制这三个环节分析而言,任何一个单一环节是无法满足系统的调节的。将比例、积分、微分三个环节结合起来组成的PID控制器能够满足消除误差与抑制误差作用为零的目的,有时还会产生负值,避免了被控对象的超调。   
2.2.3 模糊控制
      模糊控制全称模糊逻辑控制,由模糊集合论、模糊逻辑推理、模糊语言变量为基础,一种计算机数字控制技术。模糊控制从本质上来说为一种非线性控制,是智能控制的一种。
      由于需要对直线电机运动实现高精度控制,系统将采用全闭环控制,在系统中的速度环控制,由于所接负载作用于电机而产生对电机运行的干扰。若仅采用PID控制将会很难满足系统对响应时间的要求。相较而言,模糊控制具有适应各种控制范围,对负载又有一定的鲁棒性。
模糊控制器可分为四部分:
      1.模糊化:主要是选定模糊控制的输入量,将确定的模糊输入量转化为系统能够识别的模糊量。
      2.规则库:依据人类学家的研究经验而建立的模糊规则库,而模糊规则库由众多的控制规则组成,是人类的控制经验转变为模糊控制器的关键环节。
      3.模糊推理:主要实现的是基于知识而做出的推理、决策。
      4.解模糊:实现将推理、决策得到的模糊控制量转变为控制输出量。
2.3开关电源中几种常见的PWM控制电路
      1.自激式PWM控制电路
      图2.7 自激式PWM控制电路图
      自激式PWM控制电路具有电路结构简单、使用元器件少、成本低等特点。
      输入电源U1有两路输入,一路经由开关变压器T的初级绕组与开关晶体管VT的集电极连接,另一路通过启动电阻R1加到VT的基极。
      接通输入电源U1后,通过启动电阻R1的电流ig(启动电流)流经VT的基极,VT导通,其集电极电流Ip必然由零开始逐渐增加。
      2.差分放大器
      如图2.8所示电路,其为射极耦合差分放大器电路图,由图可知,此电路中电源有两个,三极管VT1与VT2阻值相同、特性相同,Rc1、Rc2和VT1、VT2共同组成桥式电路,RE起反馈作用。电路的输出点在桥式电路的对角线上引出。无信号输入时,电路中桥式电路保持平衡状态,所以电路输出为零,而且此电路零点漂移较小。
      图2.8 差分放大器电路图
3.简单的串联型稳压电路
      图2.9 简单的串联型稳压电路图
      如图2.9所示为一种简单的串联型稳压电路图。施加220V电压经过变压器T1降压对电容C1进行充电,并将电压施加到限流电阻R1和齐纳二极管VZ上。在齐纳二极管的负极即B点处得到稳压电压,该电压使三极管VT导通,形成对电容C2的充电,而C2又给负载供电。
      其稳压过程如下:若变压器T1将220V电压增加到240V,则变压器二次侧电压经过整流滤波后使电容C1两端的电压增大,这又会使流经R1、VZ的电流增大。由于齐纳二极管VZ击穿后两端电压保持不变,即使B点的电压不变,三极管VT基极电压不变,这又使得对电容C2的充电电压不变,也使得负载电压未变,从而维持了电压的稳定。
3 Protel及Multisim软件概述
3.1Protel DXP 2004概述
3.1.1软件的基本概述
      当前普遍应用于电路原理图的绘制软件为Protel DXP 2004,此种软件功能最为强大的是对于PCB线路板的设计绘制。它的拓展功能更加强大,设计者的自由尺度也更大,如设计者可以自己编辑元件库中没有的元器件。更在PCB线路板设计绘制、电路原理图绘制制,这两个方面做出了极大的改动[6]。Protel DXP 2004主界面如图3.1所示。
      图3.1 Protel DXP 2004主界面
3.1.2特点概述
      1.整合式的元件与元件库:Protel DXP 2004采用整合式的元件,在一个元件中连接元件符号、元件封装、SPICE元件模型(电路仿真模型)和SI元件模型(电路信号分析模型)。
      2.版本控制:通过版本控制可直接由Protel设计管理器转换到其他设计系统,可方便设计者将Protel DXP 2004中的设计与其他软件共享[6]。如输入和输出DXP、DWG格式文件,实现与AutoCAD等软件的数据交换。
      3.多重组态设计:对于同一个所设计的电路原理图,可限定元件的使用情况,即使用或不使用,生成网格文件。同时,Protel DXP 2004也可以支持单一电路原理图设计的多重组态。
      4.新的文件管理模式:Protel DXP 2004有三种不同的文件管理模式,能使各种文件存储为单一的数据库文件。也可以在数据库外生成Windows文件,即称作混合模式。
3.2 NI Multisim 11.0概述
3.2.1软件的基本介绍
      美国IN公司开发的Multisim,是一种电路仿真模拟软件,它的仿真模拟能力十分的强大。无论是简单电路,还是复杂电路,都具能进行的仿真模拟。
      Multisim是应用于Windows系统的电路仿真模拟软件,可以应用于数字、模拟电路的设计仿真。Multisim具有电路原理图的图形输入,或电路硬件描述语言的输入方式,具有丰富的仿真分析能力。为应用于不同的场合,Multisim推出了许多版本,不断完善元件库、电路仿真能力,用户可以根据自己的需要加以选择。Multisim的主要功能是实现对电路的仿真,是人们更清楚地了解所研究电路。
3.2.2 Multisim 11.0界面介绍
      Multisim 11.0的主窗口界面如图3.2所示。
      图3.2 NI Multisim 11.0 主界面
      由图3.2可以看出,Multisim 11.0的主窗口界面有各种区域,通过对这些区域的操作可实现电路的绘制、仿真、分析等。
      1.Multisim 11.0的工具栏。
      Multisim 11.0提供了多种工具栏,常用的工具栏有:标准工具栏、主工具栏、视图查看工具栏,仿真工具栏。如图所示。
      图3.3 标准工具栏图
      图3.4 主工具栏图
      图3.5 仿真工具栏图
      图3.6 视图查看工具栏图
      2.Multisim 11.0的元件库。
      Multisim 11.0以库的形式管理元器件,通过菜单栏下的工具/ 数据库/数据库管理器,打开数据库管理器窗口,如图所示。
      图3.7 数据库管理器窗口图
      具体选用时可打开菜单栏中的工具栏/元器件工具栏进行选择。如图3.8所示。
      图3.8 元器件工具栏图
      3.Multisim 11.0的虚拟仪器库。
      Multisim 11.0为用户提供了类型丰富的20种虚拟仪器,可以从工具栏/仪器打开仪器工具栏,如下图3.9所示。
      图3.9 仪器工具栏图
4电路设计与仿真
4.1整体结构及其分析
      如下图4.1所示是本次设计的大功率直流电源恒流??樵硗糩8],其中包括电流采样???、电压采样???、稳压???、输出端??樗拇竽??。
      图4.1 大功率直流电源恒流??樵硗?/div>
      如图4.1所示为大功率直流电源恒流??榈缏?,此电路的工作原理分析如下:
      1.电流比较环节
      在“调流0~5V”处施加一个在此范围内的电压,如3V。3V电压在经过与之相连的一个简单的稳压??楹蟮玫轿榷ǖ?V直流电,此3V电将供给LM224的同向输入端10脚。
      在“电流采集0~5V”处施加一个范围内的电压,依次施加2V和4V电压,由于在LM224的10脚输入3V电压,会产生两种不同的输出。当在LM224的反向输入端即9脚施加2V电压时,10脚电压大于9脚电压,则LM224的输出端8脚输出24V电压;当在LM224的反向输入端即9脚施加4V电压时,9脚电压大于10脚电压,则LM224的输出端8脚输出0V电压。
      2.电压比较环节
      在LM224的5脚处施加的电压是恒定的,因为24V电压经过所串联电阻分压,又经过稳压电路稳压可得出施加在LM224的5脚的电压始终是5V。
      在“电压采样0~5V”处施加一个范围内的电压,即LM224的6脚施加电压。但由上分析知,在此处LM224的5脚电压始终大于6脚电压,即LM224的输出端7脚所输出恒定为24V。
      3.输出端
      当左端的LM224的8脚输出24V,对与之相连的二极管与施加反向电压,则二极管不导通;右端LM224的7脚输出24V,与左端的LM224的输出构成等电位。依电压分配原则,在输出端LM224的3脚施加电压为3.5V,即LM224的输出端1脚输出3.5V。
      当左端的LM224的8脚输出0V与右端LM224的7脚输出24V时,二极管导通,则施加在输出端LM224的3脚电压为0V,即LM224的输出端1脚输出0V。
4.2 PWM控制单元
      如下图4.2所示为PWM控制单元,可以分为分压电阻、限流电阻、滤波电容及PWM控制器SG2525A等五部分。
      图4.2 PWM芯片外围电路原理图
      在图4.2大功率直流电源恒流??樽钪帐涑鼋崴腿隤WM控制器SG2525A的9脚,后由PWM控制器SG2525A的11(L3P)脚与14脚输出(L2P),输出结果与输入值相同。
4.3基准电路环节
      在设计稳压??槭?,依齐纳二极管的稳压特性综合考虑,设计出的简单稳压电路。如下图4.3所示,在所设计的电路中,要有对于采样电流、电压端口的稳压。
      图4.3 简单稳压电路
      如下图4.4所示为设计的稳压???,可以分为稳压输出和稳流输出两部分,两部分均采用的齐纳二极管限压为5V,电路中有分压电阻、限流电阻、滤波电容。
      图4.4 基准电路原理图
      基准电路环节的仿真图如下图4.5所示;示波器仿真结果图如下图4.6所示。对稳流输出端和稳压输出端分别进行模拟仿真,进一步对输出的信号进行计算、研究。
      图4.5 基准电压环节的仿真
      图4.6 示波器测试结果
      模拟稳流输出端:
      当设定4V的调流电压(0~5V),且齐纳二极管稳压值为5V,即没有超过齐纳二极管的稳压范围,则输出设定的调流电压值。
                                (4.1)
                                   ,即                    (4.2)
      模拟稳压输出端:
      24V电压为电路的设定电压,经过齐纳二极管稳压后,其两端电压为5V。
      即:
                                 (4.3)
                           ,即                        (4.4)
4.4电压采样比较环节
      本次设计的采样电压比较环节如下图4.7所示,这其中可以分为分压电阻、限流电阻、滤波电容及集成运放LM224四部分。
      图4.7 采样电压比较??樵硗?/div>
      采样电压比较环节的仿真研究如下图4.8所示;示波器仿真结果如图4.9所示,对采样电压输入端、采样电压输出端分别进行模拟仿真,进一步进行计算、研究。
      图4.8 采样电压比较环节的仿真
      图4.9 示波器测试结果
      齐纳二极管的稳压范围为0~5V,则有设定电压为ACC=5V,随机设定采样电压。
                                      (4.5)
                                ,即                        (4.6)
                                ,即                       (4.7)
4.5采样电流比较环节
      设计的采样电流比较??槿缦峦?.10所示,可以分为分压电阻、限流电阻、滤波电容及集成运放LM224四部分。
      图4.10 采样电流比较环节原理图
      采样电流??榈姆抡嫜芯咳缦峦?.11所示;采样电流??榈氖静ㄆ鞣抡娼峁缦峦?.12所示,对稳流输出端、稳压输出端分别进行模拟仿真,进一步对输出的信号进行计算、研究。
      图4.11 采样电流比较环节的仿真
      图4.12 示波器测试结果
      齐纳二极管的稳压范围为0~5V,设定电压为ASS=5V、AVV=24V,随机设定采样电流。
                                (4.8)
                             ,即                     (4.9)
                     ,即             (4.10)
4.6输出端
      设计的输出端原理图如下图4.13所示??梢苑治盅沟缱?、限流电阻、滤波电容及集成运放LM224四部分。
      图4.13 输出端原理图
      输出端的仿真研究如下图4.14所示;示波器测试结果如下图4.15所示。对输出端、输入端分别进行模拟仿真,进一步对输出的信号进行计算、研究。
      图4.14 输出端的仿真研究
      图4.15 示波器测试结果
      如图4.14所示输出端等价于一个电压跟随器,即当或时,输出电压与输入电压相等,即,。
      即:
                     ·       (4.11)
4.7整体电路仿真
      大功率直流电源恒流??榈姆抡嫜芯咳缦峦?.16所示。对采样电流的不同,采样电压的不同,调流信号不同,这种情况下的信号进行计算、研究。
      图4.16 大功率直流电源恒流??榈姆抡嫜芯?/div>
      由实验可知:
      从采样电压环节来看,上面的仿真可以得出:
      齐纳二极管稳压范围为0~5V,在采样电压、稳压输入电压两种情况下,会出现输出信号的不同。由于仿真元件都采用的不是理想元件,所以会产生一定的损耗,如公式(4.12)所示。
                                     (4.12)
      第一种情况。当采样电压。
      即:
                                                    (4.13)
      第二种情况。当采样电压。
      即:
                                                           (4.14)
      再从采样电流环节来看,由上面的仿真可以得出:
      齐纳二极管的稳压范围为0~5V,在采样电流、设定输入电压两种情况下,会出现输出信号的不同。仿真元件采用的不是理想元件,所以会产生一定的损耗。
      第一种情况。当采样电流。
      即:
                      (4.15)
                                                     (4.16)
      第二种情况。当采样电流。
      即:
                                                           (4.17)
      最后,输出端输出可以分为两种情况:
                                                 (4.18)
      即当没有输入信号时,
                                            (4.19)
      由上可知,输出端的情况有下面几种情况,如下表4.1所示。
      表4.1 不同输入信号下输出端信号
采样电压端(V) 采样电流端(V) VD3二极管导通情况 输出信号(V) 仿真信号
0 0 未导通 0 如下图(4-17)
0 22.497 未导通 0 如下图(4-17)
22.497 0 导通 3.401 如下图(4-18)
22.497 22.497 未导通 3.401 如下图(4-18)
      图4.17 仿真结果1
      在采样电压端,采样电流端或时,二极管VD3不导通,其输出信号皆为0。如图4.17所示,显示输出其实并不为零,这是由于在仿真模拟的过程中存在着一些咸咸的误差,造成与理论值不相等,但由于数值太小近似可以以零来代替。
      图4.18 仿真结果2
      在采样电压端,采样电流端或时,二极管VD3有两种状态:导通或截止。但其输出信号皆为3.401。如图4.18所示,其显示结果与理论分析值有所差别,这是由于电路损耗所致,误差较小可近似看作相等。
5.总结
      本文的设计是大功率直流开关电源恒流控制电路的仿真研究。本文首先介绍了当前开关电源的现状和趋势,然后展示了开关电源主电路几个基本电路的工作原理,并选择了齐纳二极管作为调节管。 恒流控制电路设计采用SG2525作为PWM脉冲控制器。 本文重点介绍目前设计的20kw大功率直流电源的恒流控制???,并在控制模式等方面进行系统仿真研究,获得了满足我们需要的最优控制模式。 最后,安装和调试了恒流控制电路的设计,包括电流采样???,电压采样???,调压??楹褪涑瞿??,并进行了仿真实验,总结:
      1.在设计大功率直流开关电源的恒流控制电路设计中,在调压??榈淖饔孟?,采用弱电控制强电的电源设计???。在复杂要求的情况下,设备的高精度要求,应采用全桥转换器得到更好的输出。
      2.本设计应用PWM SG2525A智能控制???。相对于PWM SG3525芯片具有非常大的改进,其中包括稳压器、稳流、电压采样、电流采样及?;さ缏?。
      3.设计电源的第一设计,设定5V限制电压规格?;贚M224四管集成运放、比较采样电流比较、采样电压比较和参考电源进行比较输出, 最后比较并输入输出(输出对应于电压跟随器),最终输出为两个常数值。 第一个结果为0V,第二个结果为3.401V。 两个输出信号输入如SG2525A PWM智能控制芯片的控制信号,实现了小信号控制的大信号。
      4.基于PWM专用芯片SG2525A智能控制电路设计,该电路具有稳压稳定电流、电压采样和?;さ缏返裙δ???刂频缏返挠布峁辜虻?,外围设备数量少,系统调试容易。 在相同的硬件环境中,尝试不同的控制策略,以便利用最优解来满足不同情况下的不同需求。