开关电源中TL431相位补偿电路的仿真分析 沈利娟
开关电源P-SPICE仿真
天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕业设计专业：电子科学与技术班级学号： 26学生姓名：二○一一年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计开关电源P-SPICE仿真Switch-Mode Power Supplies SPICESimulations专业班级：电科0703班2011年6月摘要变压器的使用在升压和降压电源中很常见，开关电源根据不同的输出要求采用不同的变压器拓扑电路，同样的电源也采用不同的变压器拓扑实现。
在所有拓扑中反激式变压器构成的升压式开关电源具有电路简单、元器件最少的优点，在小功率开关电源中经常采用。
而变压器的设计需要技术人员根据一些经验参数来进行变压器的设计和绕制。
会出现经验设计多于准确的参数设计，而且在高频条件下变压器的设计和制作不同于普通的变压器，更加需要实际经验和理论设计两者相互结合。
本文将针对反激式开关电源变压器漏感较大，易击穿开关器件的特点，通过Pspice仿真来检验在电路中增加RL模或RCD模块的方式对漏感能量的耗散效果，从而达到保护开关器件、稳定电路的目的。
关键词：开关电源；Pspice仿真；反激式变换器；吸收电路ABSTRACTConverter is widely used in boost and buck power. Switch-Mode Power will take different circuits of converter topology depends on different conditions in outputs. And sometimes the same power will choose different converter topologies to achieve the same result.In all kinds of topologies, boost switching power supplier based on the fly-back converter characterized as simple circuit, less components that is the reason to explain why it is commonly used in low power switching power supply. In the process of designing converter , technical staffs usually make the converter with some self-verified parameters .The phenomenon will lead to such a result ,the amount of experience design are more than accurate parameter design. However ,in the area of high-frequency converters ,the design and production of them are different from general converter, we need to combine more practical experiences with theoretical design.For the larger leakage and easy breakdown in switching device of fly-backSwitch-Mode Power Supplies converters, this article will use SPICE Simulations to test the effectiveness of RL and RCD module circuit in dissipating the energy of leakage，so as to meet the purpose of protecting Switching devices and stabling the circuit.Key Words：Switch-Mode Power; SPICE Simulations; Fly-back Converter;Snubber circuit;目录第1章引言 (1)第2章PSPICE软件仿真概述2.1仿真软件的选择 (2)2.2 PSPICE的发展历程和现状 (3)2.3 PSPICE的组成 (3)2.4 PSPICE的特点和模拟功能 (4)第3章开关电源的概述3.1开关电源的分类 (6)3.2开关电源的选用 (7)3.3开关电源的发展动向 (8)第4章五种经典开关电源的拓扑结构4.1开关电源拓扑综述 (9)4.2开关电源的5种拓扑结构 (9)4.2.1非隔离式拓扑结构 (10)4.2.2隔离式拓扑结构 (20)第5章反激式变换器电路5.1 反激式变换器的基本原理 (27)5.2无寄生元件条件下的反激式变换器的电路仿真与分析 (28)结论 (35)参考文献 (36)致谢 (37)天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计第一章引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源tl431吱吱响维修实例
开关电源tl431吱吱响维修实例
1:某设备电源,通电后无电压输出,电源内部发出‘吱吱吱’声。
这是电源过载或无负载的典型特征。
先仔细检查各个元器件,重点检测整流二极管、开关管等。
经过仔细检查,发现一个整流二极管
(1N4007)的表面已烧黑,而且电路板也给烧黑了。
找到同型号的二极管换下,在用万用表一测果然是击穿的。
接上电源,可风扇不转,‘吱吱吱’声依然存在。
用万用表量+12V输出只有+0.2V,+ 5V只有0.1V。
这说明元件被击穿时电源启动自保护。
测量初级和次级开关管,发现初级开关管中有一个已损坏,用相同型号的开关管换上,故障排除。
以上检查走了弯路,未通电前,应测量一下开关管是否损坏。
2:没有‘吱吱吱’声,上一个保险丝就烧一个保险丝。
由于保险丝不断地被熔断,搜索范围就缩小了。
可能发生的情况有3种:整流桥击穿,大电解电容击穿,初级开关管击穿。
电源的整流桥。
开关电源输出过冲抑制设计
图 ２ 反 馈 电路 原 理 图
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第 ３ ２ 卷 第 ２ 期
最初 Ｖ Ｏ Ｕ Ｔ的电压为零 ， Ｒ 此时视为接地。 当Ｂ Ｉ Ａ Ｓ 电压升高时， 电流经 Ｒ ２ 和Ｅ １ 流过 Ｃ ， Ｒ 和Ｃ 的 并联 回路最 终 由 Ｒ ６ ／ ／ Ｒ ，到 地。此时 Ｒ ／ ／ Ｒ ， 的值 会 大于 Ｒ ２ ， 故 Ａ处节 点 电压 高 于 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ 内部参考值 （ １ ． ２ ５ Ｖ ） ， 导致 Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １的阴 极端 电压下 降 。
第３ ２卷第 ２期 ２ ０ １ ４年 ６月
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开 关 电源 输 出过 冲 抑 制 设计
郑 洲 周 芳
（ 北 方 通用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏 州 ２ １ ５ １ ６ ３ ）
本文根据传统 反馈 电路 的构成 ， 提 出了一种
正激 式反 馈 电路 的改 进 方 法 ， 可 以有 效 抑制 输 出
Ｖ ｏ Ｕ Ｔ因为要经过输出滤波电路， 限制了上升速度。 ２ ． ２ 传统 的反馈 电路 ［ ３ 图２ 是传统的反馈 电路 ， 由基准电压源、 光电 耦合器和外 围元件构成。根据电源输出特性分析 计算 ， 可对各阻容合理取值 。
摘
要： 针对开关电源中常规反馈环电路造成的输 出电压过冲 问题 ， 采用一种 正激式反馈电路的
改进方法， 可以有效抑制输 出过冲。通过给基准 电压 源（ Ｔ Ｌ Ｖ ４ ３ １ ） 提供 一个预设电压 ， 使之 能够提前开
开关电源电路的PSPICE仿真
开关电源电路的PSPICE仿真
马宁;陈莉
【期刊名称】《计算机与数字工程》
【年(卷),期】2005(33)11
【摘要】采用通用电路分析软件PSPICE在保证模拟电路精度的情况下建立实时电路仿真模型,进而对开关电源闭环控制系统进行计算机仿真分析.为应用PSPICE 软件对电力电子电路进行计算机仿真提供了参考.
【总页数】3页(P32-33,44)
【作者】马宁;陈莉
【作者单位】华中科技大学电信系,武汉,430074;空军雷达学院,武汉,430019【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.移相全桥ZVS倍流整流电路的PSpice仿真研究 [J], 王海涛;张一鸣;高俊侠;李佳鹏
2.基于频率响应分析法的变压器绕组变形PSpice仿真研究 [J], 白添凯; 赵荣普; 陈欣; 杨敏
3.大功率超声波发生器的Pspice仿真研究 [J], 王光旭;任娟慧
4.PSpice仿真技术在电子电路设计中的运用 [J], 孙水生;喻小平
5.面向中低速磁浮列车IGBT开关损耗的PSpice仿真研究 [J], 杨清;王连春;迟振祥
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一种反激式开关电源的设计与仿真
第38卷第4期计算机仿真2021年4月文章编号：1006 -9348(2021 )04 -0083-06一种反激式开关电源的设计与仿真王强\王槐生U，田宏伟1(1.苏州大学应用技术学院，江苏苏州215325;2.苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为实现小功率开关电源的小型化、高效化和低成本，提出了一种基于电流型PW M芯片UC3842控制下双路输出的反激式开关电源。
研究了电源的拓扑结构和工作原理，详细分析了EM1滤波器和整流滤波电路、功率变换电路、PW M控制电 路、反馈检测电路的关键参数和设计过程。
利用Sabei•软件的仿真工具箱搭建了电路闭环仿真模型，模拟反激式电路的环路控制，实现两路直流输出5V/1A和15V/1A，效率髙达90%。
仿真结果证明了设计的正确性和可行性。
关键词.•开关电源;反激式;电路设计;建模与仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码：BDesign and Simulation of a Flyback Switching Power SupplyWANG Qiang1,WANG Huai - sheng12 ,TIAN H ong-w ei1(1. Applied Technology College,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215325 ,China；2.School of Electronic and Information Engineering,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215006,China)A B S T R A C T：For the r e a l ization of small switching power supply miniaturization,high efficiency,and low cost,a f l yback switching power supply controlled dual output was designed based on the current - mode P W M chip U C3842.The topological structure and working principle of the power supply were studied.The key parameters and the design process of EMI f i l t e r s and r e c t i f i e r f i l t e r circuit,power conversion circuit,PWM control circuit,feedback detection c i rc u i t were analyzed in ing the simulation toolbox of Saber software t o build the closed - loop simulation mode l simulating the loop control of the flyback c i r c u i t and achieving the two - channel DC output of 5V/1A and 15 V/1A,the efficiency can reach 90%.The simulation resu l t s prove the correctness and f e a s i b i l i t y of the design.K E Y W O R D S：Switching power supply； Flyback； Circuit design； Modeling and simulationi引言近年来，随着电子电路仿真技术应用领域的不断扩展，对仿真技术也提出新的要求，如何提高仿真的可靠性和准确性，提高建模和仿真的效率对于电子电路设计具有重要意义[|]。
小功率开关电源的设计及仿真剖析
小功率开关电源的设计及仿真剖析
首先，我们来看设计方面。
小功率开关电源的设计需要考虑输出电流
和电压的要求，以及对线路噪声和稳定性的要求。
设计的第一步是选择合
适的开关管和变压器。
开关管需要能够承受电流和电压的要求，并且具有
低导通压降和开关速度快的特点。
变压器的选择需要根据输入电压和输出
电压的比例来确定，并需要结合输出电流的要求来确定主、从绕组的匝数
比例。
设计完成后，还需要添加滤波电容和电感来降低输出噪声。
其次，我们来看仿真方面。
仿真是开关电源设计中非常重要的一步，
可以帮助验证设计的正确性并进行性能优化。
常用的仿真软件有PSPICE
和SIMULINK等。
仿真的第一步是建立电路图，在仿真软件中将开关管、
变压器、滤波电容和电感等元件进行连接。
然后，根据设计要求设置输入
电压、输出电流和电压等参数。
接下来进行仿真运行，观察输出波形和电
流波形，分析电源调整时间、稳压性能和线路噪声等指标。
如果存在问题，可以通过改变电路参数或者添加补偿电路来进行优化。
综上所述，小功率开关电源的设计和仿真是一个相互关联且相对复杂
的过程。
设计需要考虑输出要求，并选择合适的元件，仿真则是验证设计
和优化性能的关键步骤。
通过科学合理的设计和精确的仿真，可以得到性
能稳定、噪声低且符合要求的小功率开关电源。
CR6842设计指导书V1.0
图 1.1 CR6842 内部框图
2.欠压锁定和启动电路及 OCP 补偿特性：
⑴、 CR6842 具有如下两种启动方式： 1） 传统的启动方式:使用 VDD 作启动脚时芯片支持从整流前启动及整流滤波后启动的方式，其 启动电路见图 1.2.1，图 1.2.1 所示； 2） 具有 OCP 补偿功能的启动方式：使用 3 脚 VIN 作启动脚时芯片具有 OCP 补偿的功能，但仅 支持从整流滤波后启动的方式，其启动电路方式见图 1.2.3 典型电路。
假设光耦的最大传输比ctr08系统二次侧次级tl431的工作电流仅由流过光耦发射端二极管的电流提供那么通过ic折算到流过光耦发射端二极管的电流最大仅为063ma这个电流将无法满足tl431的最小工作电流1ma所以在系统设计时使用cr6842设计的系统必须给次级tl431提供一个常态偏置电阻见图25电路中的rbias使tl431工作在正常的状态否则系统的负载调整率或其他性能可能会发生异常在16v输出的系统中考虑空载或轻载时系统的损耗因素推荐使用的偏置电阻阻值为22k
2）、影响 OCP 补偿平坦度的主要参数： 频率：基于 50KHZ~65KHz 设计。 启动电阻：基于 1.8MΩ 设计。 Sense 端输入：基于省掉外部 R-C 网络设计，见 Sense 端输入的说明。
3）、Sense 端口门限与 VIN 端口输入电流的关系曲线图
从图中可以看到，如果系统设计以 VIN 端口(3 脚)作为启动端，那么 VTH_oc 的值是受流过 VIN 端的 电流影响的，熟悉 Sense 端门限与 VIN 端输入电流的关系曲线图对分析系统的 OCP 特性是有帮助的。
TL431及PC817在开关电源中的应用
TL431及PC817在开关电源中的应用TL431功能简介本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器 TL431来完成，在反馈电路 的应用中运用采样电压通过 TL431限压，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到 SG3525的 COM 端。
由于TL431具有体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以用 TL431 可以制作多种稳压器。
其性能是输出电压连续可调达 36V,工作电流范围宽达 0. 1〜100mA 动态电阻典型值为0. 22欧,输出杂波低。
其最大输入电压为37V, 最大工作电流为150mA 内基准电压为2.5V ，输出电压范围为2.5〜30V 。
TL431是由美国德州仪器（TI ）和摩托罗拉公司生产的2.5〜36V 可调式精密并 联稳压器。
其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳 压电源中。
此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精 密恒流源等。
TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图 4.26所示。
E 4J6TL431的电气捋号圄和黑敦电路图DIP 忍封装 T0Q 封装 等效克路800^ 5 soo^g 4 25 TL431功能枢團图中，A 为阳极，使用时需接地；K 为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF 是输 出电压UO 的设定端，外接电阻分压器；NC 为空脚。
TL431的等效电路如图所示，主要包括①误差放大器 A ,其同相输入端接从电阻 分压器上得到的取样电压，反相端则接内部 2.5V 基准电压Uref ，并且设计的UREF=Ure f URER 1常状态下为2.5V ，因此也称为基准端；②内部2.5CV 基准电 压源Uref :③NPN 型晶体管VT ,它在电路中起到调节负载电流的作用；④保护 二极管VD 可防止因K-A 间电源极性接反而损坏芯片。
TL431的电路图形符号和 基本接线如图4.27所示。
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开关电源中TL431相位补偿电路的仿真分析 沈利娟发表时间：2018-05-09T09:39:07.627Z 来源：《电力设备》2017年第35期 作者： 沈利娟 朱亚旗 赵元明[导读] 摘要：开关电源工作的稳定性与其反馈环路的稳定性有很大的关系，如果开关电源反馈环路系统没有足够的幅值裕度和相位裕度，整个开关电源工作将很不稳定并且出现输出振荡。
(珠海格力电器股份有限责任公司)
摘要：开关电源工作的稳定性与其反馈环路的稳定性有很大的关系，如果开关电源反馈环路系统没有足够的幅值裕度和相位裕度，整个开关电源工作将很不稳定并且出现输出振荡。本文主要基于TNY277芯片的开关电源电路各项测试参数，采用TL431相连的电阻和电容作为相位补偿电路，通过SIMPLORE软件对开关电源补偿环路前后的传递函数进行了幅频和相频特性仿真。通过分析两种仿真结果，总结出在开关电源环路中增加补偿电路不仅能有效控制整个环路的稳定性而且可以降低输出振荡。
关键词：开关电源 相位裕度 幅值裕度 SIMPLORE 1 引言
开关电源以体积小、效率高、稳压范围宽等优点倍受业内人士的青睐，并迅速地取代了传统的线性稳压电源，其中以反激式开关电源为例，其拓扑结构简单、电路损耗小等优点在小功率以及有多路输出的场合得到了广泛地应用。尤其是TOPSWITCH已经成为市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，内部集成了一部分补偿功能，不过开关电源中的外部反馈环路设计一直是整体设计的一个重要环节，若在设计时相位裕度以及幅值裕度考虑不周，整个开关电源的动态性能就会非常差。本文以TNY277芯片的开关电源举例，环路设计采用光耦PC817与TL431配合使用，但是TL431作为开关电源次级反馈的基准和误差放大器，反馈环路中供电方式的差异对它的传递函数将会产生很大的影响，所以本文主要侧重于在电流断续模式（DCM）下对补偿网络进行分析。 2 反馈环路稳定性标准以及穿越频率的选定 2.1 稳定性标准
开关电源反馈环路的稳定性往往用相位裕量和增益裕量两个参数来进行衡量。在工程实践当中，通常要求增益裕量小于-10db，相位裕量不小于45°。若按照此要求进行设计，不仅可以在预定的工作情况下满足稳定条件，而且当环境温度发生变化或者突然加减载的情况下也都能满足稳定条件。 2.2 穿越频率选择
穿越频率在环路补偿中是一个很重要的参数，即幅值特性曲线通过0db时所对应的频率。理论上来讲，反馈环路的穿越频率不能超过开关频率的1/2，而工程上的选取往往为开关频率的1/10左右，这样的选取方式主要是依据了奈奎斯特定理[1]。
3 常用的补偿方式 3.1 主极点补偿
传递函数为G（s）=1/sR1C，此补偿方式主要适用在电流型控制以及工作在DCM并且滤波电容的ESR频率比较低的电源里。主要原理在于把第1个极点与其余的极点距离拉开，使相位达到180°以前使其增益降到0db。补偿后的最大带宽小于补偿前第1个极点的带宽[2]。
3.2 极零点补偿
传递函数为G（s）=1+sR2C/sR1C，也是开关电源反馈环路中比较常用的补偿方式，这种方式最大的优势在于其极点相当于主极点补偿中的极点，而零点则把补偿前的第一个极点抵消，这时候的带宽最大，可以达到补偿前第二个极点的带宽，这样既达到了主极点补偿的效果，又增加了带宽。 3.3 双极点单零点补偿
此补偿方式适用于功率部分只有1个极点的补偿，例如所有电流型控制以及非连续模式下电压型控制，常见的反馈环路中用的不是很多。
传递函数为G（s）=1+sR2C1/（sR1C1（1+sR2C2））。
在设计开关电源环路补偿时必须要注意补偿器工作在负反馈工作状态，这样才是一个完整的闭环系统，因为其本身就有180°的相移，所以留给功率部分、输出LC滤波部分以及补偿网络部分的只有180°。幅值裕度不管用上面哪种补偿方式都是自动满足的，所以设计的时候一般不需要特别考虑。不过相位裕度是必须要考虑的，一般在工程中在穿越频率下的相位裕度满足不小于45°即可。 4 反激式开关电源环路设计
反激式开关电源其本质是带有变压器的BUCK-BOOST变换器[3]。
该环路的传递函数为： K=（Kpwr×Klc×Kfb）×Kea
式中：Kpwr为功率部分；Klc为变压器次级电感、滤波电容与负载组成的LC滤波部分；Kfb为反馈电压分压部分；Kea为由光耦PC817与TL431所组成的反馈补偿部分。
本文中的开关电源设计的电源芯片选取的是PI公司的TNY277。主电路的设计参数主要有：电源输入直流母线电压V1=310V、输出电压VO=12V、高频变压器初级电感量LP=1.6mH、初级匝数Np=63Ts、次级匝数Ns=8Ts、次级滤波电容C=220μF、电源芯片的开关频率
f=66KHZ、负载R=5Ω、光耦PC817的电流传输比CTR=2.5。 4.1 功率部分和输出LC滤波部分小信号传递函数
首先要推导出除去补偿部分的输出输入传递函数反激式开关电源的功率部分与LC滤波部分
经过推导得出： Lsec=（Ns/Np）2×LP Kpwr=VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f) LC滤波部分小信号的频率为：ωP=2/RC Klc=1/（1+s/ωP）
由于上分压电阻直接接到TL431上，所以Kfb=1。
整个电路在补偿前的传递函数为： K1=Kpwr×Klc×Kfb= VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f)/（1+s/ωP）
将上述数据带入传递函数K得： K1=47.7/（1+5.5×10-4s）
可以看出传递函数只包括一个极点，通过SIMLPORE可以将传递函数以波特图的形式体现出来，传递函数K的穿越频率为9.5KHZ左右，在此频率下的相位裕度为1°，显然不满足工程中相位裕度的要求，所以接下来补偿网络函数的目的是将相位裕度提高到45°左
右即可，这是由于裕度过大会导致系统响应变慢，而对穿越频率的要求不是特别高[5]。
图1 补偿前的波特图 4.2 TL431补偿网络函数 PC817与TL431组成的补偿网络如图2所示，此补偿网络属于极零点补偿网络，可以调节R24和C35的值来调节相位裕度。
图2 TL431补偿网络电路图
由于TL431用输出电压12V供电，其传递函数为： Kea=CTR×[1+s×（R24+R25+R26）×C35]/[s×R22×（R25+R26）×C35]
其中， R24=1KΩ， R22=100Ω， R25=R26=20KΩ， C=0.1μF， CTR=2.5。
将上述数据带入传递函数Kea得： Kea=（2.5+10.25×10-8s）/4s
其中R22、R25、R26的值决定了增益，由于R25与R26之和由零点的位置而决定，所以整个系统增益的大小可以通过调整R22来确定。CTR是通过实测得出的光耦电流传输比。
4.3 系统开环传递函数
系统的开环传递函数为： K=K1×Kea= VI×(Ns/Np)2×R/(2×Lsec×f)/（1+s/ωP）×CTR×[1+s×（R24+R25+R26）×C35]/[s×R22 ×（R25+R26）×C35]
带入数值得： K=（114.78+0.469s）/（2.2×10-4s2+0.4s）
通过SIMPLORE波特图仿真得到的补偿后的波特图，如图3所示。
图3 补偿后的波特图 5 结论
通过补偿后的网络得到的开环传递函数K的穿越频率为1KHZ，且在此频率下的相位裕度为45°，已经满足了工程中系统稳定的要求，经过SIMPLORE软件对补偿网络中的各个参数不断的调试，终于将整个开关电源反馈环路在穿越频率下的相位裕度调到了45°，所以通过选择合适的补偿网络以及其网络中各个参数的选定决定了整个系统的增益以及稳定性。
参考文献: [1] Dr.Ray Ridly,Loop Gain Crossover Frequency. Switching Power Magazine. 2006. [2] 韩林华,史小军,朱为,堵国梁. 反激开关电源中基于PC817A与TL431配合的环路动态补偿设计. 电子工程师,2005,11(31):29-32. [3] Sanjaya Maniktala,王志强等译. 精通开关电源设计. 北京: 人民邮电出版社,2008. [4] Everett Rogers. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switch Mode Power Supplies. TEXAS INSTRUMENTS, 1999,SLVA034A:1-16. [5] Randall Shaffer. Fundamentals of Power Electronics with MATLAB .Boston Massachusetts: Charles River Media,2007.