PD控制方式的1A开关电源Multisim
基于Multisim 10的高品质开关稳压电源的设计与仿真解读
[摘要]稳压电源是实现电源转换和电力输送的重要设备。
当今时代，农业，能源，交通，通信和电力行业等领域发展迅速，同时也对电源提出了更高的要求，如节能，轻便，节材，环保，安全，可靠等方面。
这就使得电源工作者不断追求探索相关的技术，做出更好的电源产品，以满足各行各业的需求。
开关电源是一种新型电源设备，相比传统的线性电源，它的科技含量高，低能耗，使用方便，并取得了良好的经济效益。
本文介绍了开关电源的工作原理、各种工作方式，它的长处和短处，设计方法以及开关电源未来设计方向，并在此基础上，对开关电源进行设计。
设计分成三个模块，即辅助电源模块， PWM控制模块和升压电路部分，其中PWM控制模块为本电路的核心。
确定电路设计方案后，使用Multisim 10对电路进行仿真，并对电路参数进行优化配比，力图使电路脉动小，输出电压是稳定、范围可调，从而达到设计的要求。
[关键词] 开关电源，脉宽调制，稳压，Multisim 10[Abstract]：Regulated power supply is the important equipment to achieve the power conversion and electricity transmission. In modern times,agriculture, energy, transportation, communications and power industry are all in fast development. Power supply must undertake the more responsibility such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has been making the power workers continuously explore related technologies, to make the better products in order to satisfy the demands of all walks of life. Switching power supply is a new type of power equipment, compared with the traditional linear power supply, it has a higher technological content, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic benefits.This paper describes the various working principle and all kinds of way to work of switch power supply, its advantages，disadvantages,design method and its design direction in the future. Then we begin to design the switching power supply based on the above. Design is divided into three modules, namely the auxiliary power supply module, PWM control module and a booster circuit, Among them，PWM control module as the core of the circuit. After determine the circuit design, using the Multisim 10 to simulate the circuit, and optimized and matched the circuit parameters as far as possible to make circuit pulse small, make the output voltage stable, adjustable range, to achieve the design requirements.[Key words]：switch power supply, pulse width modulation, voltage regulator, Multisim 10.目录1 绪论 (1)1.1开关电源的发展背景 (1)1.2 开关电源的基本原理与组成特点 (1)1.2.1 开关稳压电源的基本工作原理 (1)1.2.2开关电源的特点 (2)1.2.3开关电源的基本原理 (3)1.3 开关电源的分类 (3)1.4 开关稳压电源的发展 (6)1.4.1国际发展史状况 (6)1.4.2国内发展情况 (7)1.5 稳压开关电源的发展趋势 (7)1.6 开关电源的技术指标与基本设计要求 (9)2 开关变换电路 (11)2.1 滤波电路 (11)2.2 反馈电路 (11)2.2.1 电流反馈电路 (11)2.2.2 电压反馈电路 (12)2.3 电压保护电路 (12)3 UC3842电流型控制器 (14)3.1 UC3842简介 (14)3.1.1 UC3842的特点 (14)3.1.2 UC3842的引脚及其功能 (14)3.1.3 UC3842的内部结构 (15)3.2 UC3842的典型应用电路 (16)3.2.1 UC3842控制的同步整流电路 (16)3.2.2反激式开关电源 (18)3.2.3 升压型开关电源 (18)4 利用UC3842设计开关稳压电源 (20)4.1 电源设计基本指标 (20)4.2 具体电路设计 (20)4.2.1 启动电路 (20)4.2.2 PWM脉冲控制驱动电路 (22)4.2.3 电路输出部分的设计 (24)4.3 电路整体分析 (28)5 开关稳压电源的测试及仿真 (29)5.1 仿真软件Multisim 10概述 (29)5.2 仿真结果 (30)5.3 设计问题及解决方法 (32)总结 (33)致谢 (34)参考资料 (35)1绪论1.1开关电源的发展背景在20世纪80年代以前，作为线性电源的跟新换代产品，开关电源也主要用于小功率场合。
基于PD控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究
基于PD控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：13电气卓越姓名：**学号： ********绪论Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。
然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。
为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。
常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。
本文将通过用multisim实例来研究PD控制器的调节作用。
一.设计要求及设计背景1.设计要求依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真；掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；采用Matlab绘制控制对象的Bode图；根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。
采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。
2.设计背景Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。
然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。
为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。
二．Buck变换器主电路设计1.1技术指标：输入直流电压(V IN)：12V；输出电压(V O)：5V；输出电流(I N)：9A；输出电压纹波(V rr)：50mV；基准电压(V ref)：1.5V；开关频率(f s)：100kHz；1.2主电路及参数计算 1.2.1主电路图1 buck 主电路1.2.2滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR 有关：0.2rr rr C l NV VR i I ==∆（1） 电解电容生产厂商很少给出ESR ，而且ESR 随着电容的容量和耐压变化很大，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ·ΩF 。
基于multisim开关电源的仿真设计
2.课题的来源及现状
2.1课题来源
本课题来源于科研，随着电力电子技术的发展，开关电源的研发越 来越被人们重视，在技术方面也有了更为深入的发展，这就要求我们及 时、准确地把握开关电源的相关知识和发展动向。
= 10A*(1-5V/10V”(100KHZ*30mV) =1667uF
故选取4个470 uF并联。
对输出和输入滤波电容主要关心的是流过这些电容的纹波电流。在这种
情况下纹波电流与电感上电流的交流分量是相同的。
7.闭环控制电路设计
功率开关损耗：(55.56W-50W)*0.5=2.78W
续流二极管损耗：(55.56W-50W)*0.5=2.78W
3•输入平均电流
输入平均电流：55.56W/10V =5.56A
估计峰值电流：10A*(100%+10%)=11A
4•滤波电感的设计(参数扫描法)
设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频率，并应首先选 定允许的电感电流最大纹波值。然后计算设计工作电感：
滤波电路设计（滤波电感设计和滤波电容的确定），开关器件及二极管的 设计，控制电路的设计等等。具体设计路线如下：
1•技术指标
输入电压：DC +10V
输出电压：DC +5V
最大输出电流：10A
输出电压纹波峰峰值：+30mV
输出精度：1%
2•“黑箱”预先估计
输出功率：5V*10A=50W(max)
输入功率：Pout/Nest= 50W/0.90=55.56W
4.设计方案及技术路线5
基于multisim开关电源的仿真设计
KC017-1 2006 届毕业设计开题报告
题目基于multisim开关电源的仿真设计
专业电气工程及其自动化
姓名周大伟
班级0 2 电三
指导教师许泽刚
起止日期06.3.19-06.3.2
2006年03 月31日
（2）熟悉Multisim仿真软件；
（3）进行方案比较，确定简便、可行的方案。
（4）绘制BUCK主电路和控制电路，并完成闭环参数的设计；（5）采用参数扫描法设计滤波电感；
（6）采用Multisim仿真软件进行仿真设计；
（7）撰写毕业论文，准备答辩；
4.设计方案及其技术路线
4.1BUCK变换器设计
此设计分为BUCK主电路和闭环控制电路两部分的设计，且采用Multisim仿真软件进行仿真设计。
本开关电源设计采用Buck（降压）电路，Buck 变换器是最基本的PWM变换器主电路拓扑之一。
图1是BUCK 变换器电路。
图1 降压（Buck）变换器电路
主要的设计步骤为：主电路选型（Buck电路），“黑箱”计算，输出滤波电路设计（滤波电感设计和滤波电容的确定），开关器件及二极管的设计,控制电路的设计等等。
具体设计路线如下：
1.技术指标
输入电压：DC +10V
注：开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。
基于multisim开关电源的仿真设计
此设计分为BUCK主电路和闭环控制电路两部分的设计，且采用Multisim仿真软件进行仿真设计。本开关电源设计采用Buck（降压）电路，Buck变换器是最基本的PWM变换器主电路拓扑之一。图1是BUCK变换器电路。
图1降压（Buck）变换器电路
主要的设计步骤为：主电路选型（Buck电路），“黑箱”计算，输出滤波电路设计（滤波电感设计和滤波电容的确定），开关器件及二极管的设计,控制电路的设计等等。具体设计路线如下：
1.技术指标
输入电压：DC +10V
输出电压：DC +5V
最大输出电流：10A
输出电压纹波峰峰值：+30mV
输出精度：1%
2.“黑箱”预先估计
输出功率：5V*10A=50W(max)
输入功率：P /N = 50W/0.90 = 55.56W
8. 时间安排表 ........................................12
9. 指导教师意见........................................13
10.系部意见............................................13
2006届毕业设计开题报告
题目基于multisim开关电源的仿真设计
专业电气ห้องสมุดไป่ตู้程及其自动化
姓名周大伟
班级0 2电三
指导教师许泽刚
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1. 课题简介.............................................3
2. 课题的来源与现状.....................................3
开关电源(1)之BUCK变换器工作原理及Multisim实例仿真
0
Vo
原来 来的纹波 波峰峰值
平 平均值
新的 的纹波峰峰 峰峰值
t
0
对于具体的 的 BUCK 拓扑降 降压芯片，厂 厂家都会提供 供典型的应用 用电路及相关 关的参数值，如下 所示为 TI 公司 司的集成降压 压芯片 LM259 96 典型应用电路图： 图所
我们也可以 以通过提高开 开关的频率来 降低纹波，这 这样，在同样 样的电感量与 与电容量条件 件下， 每次 次充放电的时 时间缩短了，这样纹波的 峰峰值就下降 降了，如下图 图所示：
η
V V
I I
P P
其中，Vo 表示负载两端的电压，Io 表示流经负载的电流，两者的乘积即输出功率 Po，Vi 表示输入电压，Ii 表示输入电流，两者的乘积即输入功率 Pi。 仿真电路如下图所示：
Q1 IRF9640
A
PR4
L1 33µH
I: 1.14 A I(p-p): 5.86 mA I(rms): 1.15 A 2 I(dc): 1.14 A I(f req): 22.3 kHz
1
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Author: Jackie Long
其中，开关 K1 代表三极管或 MOS 管之类的开关管（本文以 MOS 管为例） ，通过矩形波 控制开关 K1 只工作于截止状态（开关断开）或导通状态（开关闭合） ，理想情况下，这两种 状态下开关管都不会有功率损耗，因此，相对于线性电源的转换效率有很大的提升。 开关电源调压的基本原理即面积等效原理， 亦即冲量相等而形状不同的脉冲加在具有惯 性环节上时其效果基本相同，如下图所示：
5
基于MULTISIM的反激式开关电源的仿真
周期， 降低成本。 本文采用计算机仿真技术 70@>(=(? 对开关电源的各个部分设 计进行模拟分析， 并利用变压器磁阻模型原理， 根据实际变压器尺 寸设计了变压器的仿真模型， 详细介绍了建模方法， 最后对整个电 源的闭环系统进行整体仿真， 并对该电源进行了稳定性分析。
磁路的电感直接同 1Z和 7 ! 绕组的匝数 + 相关： 83 7" 3 " 79 12
!
电路介绍
本设计开关电源为单端输入三端输出反激式开关电源，输入
输出分别为 =;<， 电路原理框图如 !+;< 电压， !"<， !+< 直流电压。 图 * 所示。
图’
电路原理框图
开关 "";< 交流电压经过整流电路整流后得到!+;< 直流电压； 管脉冲控制器采用 >?(@*(， 其工作频率为+;A:B； 反馈信号经光电 采用光电耦合器可以使输入输出端 耦合器输入 >?(@*( 的反馈端， 有效的隔离， 防止信号对电源正常工作产生干扰。 该电源带有限压和限流保护功能，反馈信号分别来自 =;< 输 出端。 当输出电压低于 =;< 时，电压控制回路将光电耦合器关断， 输出电压上升； 当电压高于 =;< 时， 电 使得 >?(@* 将开关管开通， 压控制回路将光电耦合器导通， 进而， 使得 >?(@** 将开关管关断， 输出电压下降， 故实现 =;< 稳压。 当输出电流低于 (C 时， 电流控制回路将光电耦合器关断， 使 得 >?(@*( 将开关管开通， 输出电流上升； 当输出电流高于 (C 时， 电压控回路将光电耦合器开通， 使得输出 >?(@*( 将开关管关断， 电流下降， 故实现 (C 稳流。
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题目基于ｍｕltisim开关电源的仿真设计
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也就可以尽快解决。
减少投资，加快开发速度,大大减少了设计所需的时间。
３.2工作内容
（1）了解Buｃk变换器的设计方法;
（2）熟悉Mｕltiｓｉm仿真软件;
（3）进行方案比较,确定简便、可行的方案。
（4）绘制ＢUＣK主电路和控制电路,并完成闭环参数的设计;
（5）采用参数扫描法设计滤波电感；
（6）采用Multisim仿真软件进行仿真设计;
（7）撰写毕业论文，准备答辩;
4.设计方案及其技术路线
4．1BUＣK变换器设计
此设计分为BＵCK主电路和闭环控制电路两部分的设计,且采用M ｕｌtisim仿真软件进行仿真设计。
本开关电源设计采用Buck(降压）电路，Ｂuck 变换器是最基本的PWM变换器主电路拓扑之一。
图1是ＢU ＣK变换器电路。
图1降压(Buck)变换器电路
主要的设计步骤为：主电路选型(Buck电路）,“黑箱”计算,输出滤
注：开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师的指导下，由学生填写,经导师签署意见及系部审核后生效。
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基于PD控制方式的1A开关电源Multisim仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：引言开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。
它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。
开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。
开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求。
1.Buck 变换器主电路设计1.1技术指标输入直流电压（V IN ）：10V 输出电压（V O ）：5V 输出电流（I N ）：1A 输出纹波电压（V rr ）：50mV 基准电压（V ref ）：1.5V 开关频率（f s ）：100KHZ图1 1.2主电路各参数计算 滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C 的大小以及用量有关 （1）Ω=⨯=⨯=∆=m I V i V R N rr L C 25012.0502.0rr 但C 与R C 的乘积趋于常数,约为50～80µΩ·F 。
本例中取为75µΩ·F 。
由式( 1) 可得：-375FC==300F25010μμΩ⋅⨯Ω1.3滤波电感参数计算根据基尔霍夫电压方程,可知开关管S 闭合与导通状态输入电压和输出电压满足如下关系:）（3T i L V V V OFFLD L O ∆=++ 假设二极管通态压降V D =0.5V ，电感L 中的电阻压降V L =0.1V ，开关管S 导通压降V ON =0.5V 。
ONT 2.0L 4.45.0-1.0-5-10⨯== ONT s -⨯==++μ102.0L 6.55.01.05由 fT T off on 1=+，解得T ON =5.6µs，L=123.2µH。
1.4采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真 输出电压和电流以及输出纹波如下： 当L=113.2uH 时图2）（2T i V -V -V -V ONLONL O IN ∆=图3 当L=123.2uH时图4图5 当L=133.2时图6图7当L=123.2µH 时，电感电流在0.90～1.10之间脉动，符合Δi L ≤0.2I N =0.2。
2.控制方案及参数设计2.1原始回路有关计算1.采用小信号模型分析方法可得Buck 变换器原始回路增益函数()S G 0为：()()()LCs R L s sCR V s H V s G C IN m 20111+++••=假设PWM 锯齿波幅值m V =1.5V ，x R =3ΩK ，y R =1.3ΩK ，由此可得采用网络传递函数 ()3.0=s H ，原始回路直流增益4.200==G A 。
计算如下：()3.03.133.1≈+=+=y x y R R R s H ()()12263666-26-360103002.1231064.24110250103001210300102.1235102.123110250103001103.05.11-------⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯+•=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯+••=s s s s s s s G ()200=G极点频率Hz LCf p 85.82710300102.1232121660=⨯⨯⨯==--ππ根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图所示，MATLAB 的程序如下num=[2];den=[3.696e-8 24.64e-6 1];g=tf(num,den);margin(g);图82.2补偿网络设计 2.2.1 PD 补偿网络电路图图9PD 补偿网络传递函数为：-40-202040M a g n i t u d e (d B )101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 6.36 deg (at 1.43e+003 Hz)Frequency (Hz)()pzC C ssG s G ωω++•=110 ，p c Z ωωω<<0210R R R G C +-= ， 131C R p •=ω ， ()1321//1C R R R z +=ωPD 补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图8所示，MATLAB 的程序如下：num=[174.08e-5 56.52];den=[3.653e-6 1];g=tf(num,den);margin(g);图102.2.2 确定补偿网络的参数为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率c f =（101～51）s f ，设 KHZ KHZ f f s c 15100203203=⨯==，相位裕度控制在50º～55º。
设相位裕度οϕ52=m ，PD 补偿网络的零、极点频率计算公式为：KHz f f m m cz 165.552sin 152sin 115sin 1sin 1=+-⨯=+-=οοϕϕ3540455055M a g n i t u d e (d B )10101010103060P h a s e (d e g )Bode Diagram Gm = Inf , P m = InfFrequency (Hz)KHz f f m m cp 56.4352sin 152sin 115sin 1sin 1=-+⨯=-+=οοϕϕ所以s Krad f z z /45.32165.522=⨯==ππω ， s Krad f p p /72.27356.4322=⨯==ππω PD 补偿网络直流增益为：52.5656.43165.52185.82715120200=⨯⨯=••⎪⎪⎭⎫⎝⎛=）（K f f Af f G p z p c C 则()S s s ss G C 653310653.311008.3152.561072.27311045.32152.56--⨯+⨯+⨯=⨯+⨯+⨯= 系统传递函数为：()()()()()()212665010369601064.24110653.311008.3152.562s s s ss G s G s G C ----⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯==（电容内阻C R 忽略）根据系统的传递函数可以得到系统的波特图如图9所示，MATLAB 的程序如下：num=conv(113.04,[3.08e-5 1]);den=conv([3.696e-8 24.64e-6 1],[3.653e-6 1]); g=tf(num,den); margin(g);图11由图知：∈=Z 9.12KH f （10KHZ ，20KHZ ），∈=οϕ9.52（50º，55º）满足条件。
总系统伯德图如图10所示： num=[2];den=[0.0000000369 0.000024 1]; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); hold onnum=[144.4377e-5 57.09]; den=[2.53e-6,1]; g=tf(num,den); margin(g); hold on num=[2];den=[0.0000000369 0.000024 1]; f=tf(num,den);num1=[144.4377e-5 57.09]; den1=[2.53e-6,1];-100-5050100M a g n i t u d e (d B )1010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 52.9 deg (at 1.29e+004 Hz)Frequency (Hz)g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)图122.2.3补偿网络电路中参数的计算52.56021=+R R RK C R 72.273113=• ()K C R R R 45.32//11321=+ 设Ω==K R R 3021，由上式可得Ω=K R 06.10，nF C 81.11=，Ω=K R 02.23（取Ω=K R 10， nF C 8.11=，Ω=K R 23）A I N 2.0%20=Ω==252.05%20N IN I V Ω=⇒Ω==25.65//25n n R R R-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )1010101010-180-9090P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf Hz) , P m = 53.3 deg (at 1.35e+004 Hz)Frequency (Hz)3.总电路图的设计图13图14 图15输出纹波电压图15由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。
图17为突加突卸80%负载时的输出电流和输出电压波形图：图16图17图18突加突卸80%的仿真图4.结语通过本次开关电源设计，基本掌握了Buck电路的知识，以及学会了使用Psim仿真软件和Matlab。
通过自己的思考以及和同学的探讨，终于可以完成这项十分考验知识水平和个人能力的任务。
这让我充分认识到了自主学习的重要性，以及自己知识储备不足，我会在日后的学习生活中加强综合训练。
参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[2]许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008[3]张占松，张心益.开关电源技术教程：机械工业出版社2012.8。