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PSpice用于开关电源仿真案例分析(一)

案例简介:

该设计是应用TI公司电流模式PWM控制器芯片UC2845来设计隔离反激式变换器,设计的基本要求如下:

输入电压:90VAC-264VAC(100VDC-350VDC);

输出电压:5.4V;

输出电流:4A;

开关频率:100KHz;

技术分析
一、工作原理

如图1所示,隔离反激式变换器的工作原理是:

开关导通时, 能量存储于变压器原边的电感中,注意变压器的同名端,当开关关断时,漏极电压要高于输入电压, 变压器副边电压高于地,使二极管导通,向输出电容和负载提供电源。

图1 隔离反激式变换器电路拓扑

隔离反激式变换器可以在变压器副边有多个绕组,方便地输出多组电压。各个输出电压都和原边隔离, 而且各组输出电压可以任意大小,仅仅通过调节变压器的变比就能够实现。

虽然隔离和隔离反激式变换器都可以工作在电流连续模式,也可以工作在电流断续模式下,但最常见的工作模式还是电流断续模式。本设计也是工作在电流断续模式下。

二、UC1845芯片简介

1、功能特点

2、UC1845原理框图

三、参数设计基础

由于UC2845与UC1845的电路工作原理完全相同,故本设计采用的是UC1845芯片模型来做参数设计。

我们知道,设计一款隔离反激式变换器,我们只需要知道4个参数:

输出功率;

开关频率;

输入电压;

功耗;

就可以根据这些参数来设计电路拓扑的各个参数。

由设计要求可以知道:

最大输出功率Poutmax=Vout*Iout=5.4V*4A=21.6W;

开关频率f=100KHz;

输入电压Vin=100Vdc~350Vdc;

功耗:是电路拓扑中各个器件耗散功率的总和,反应该变化器的效率,本项没有指定;

电路参数设计要点:

1、由于该设计要求在一个很宽的输入电压范围内工作,根据反激式变换器的工作原理我们可以知道,当在最低输入电压条件下,为满足设计要求的输出功率,此时对应的PWM输出的脉冲宽度应为最大,则在输入电压升高时也能满足输出功率要求。因此,我们以最低输入电压100Vdc为电路设计的输入电压。

2、电流模式:断续模式;

3、输出负载:5.4V/4A=1.35Ω,取Rload=1.3Ω,则最大输出功率Poutmax≈22.5W;

四、详细参数设计

振荡器RT和CT设计

根据UC1845芯片手册振荡器外接RC电路设计规范,要求振荡频率为100KHz,我们可以得到:

CT=2.2nf,RT=8.2kΩ。

隔离变压器原边电感Lin设计

根据电流断续模式下反激式变化器的工作原理,我们可以知道变换器的电流波形如图3所示:

 

图3 断续模式下反激式变化器的电流波形

我们知道,储存在原边电感中的能量取决与峰值电流Ipk的大小,方程式如下:

能量每个周期传递一次:

同时,我们也从UC1845芯片手册可以得知,其理论最大占空比为50%,典型值为48%;

为了设计能够有一定余量,取DCmax=45%,V=100v,f=100KHz,P=22.5W,计算得出L=450uH,取Lin=450uH;

注:具体变压器的生产工艺参数在本报告不涉及,如有需要请进一步联系迪浩公司。

电流采样电阻Rsense设计

当反激式变换器原边开关器件导通时,变压器原边绕组的作用相当于一个电感。电压加在原边电感上,开关导通期间,电流持续上升:

其中:V=100v,DC=0.45,f=50KHz,L=450uH,计算得出Ipk=2A(由于UC1844/45采用了与UC1842/43不同的PWM输出控制电路,UC1844/45增加了一个toggle flip flop(切换菲利普触发器),使得连续两个时钟周期内只有一个时钟周期有输出),所以,如图3中所示,最大电流导通时间为90%(9us),整个时钟周期为2(1/f)=20us,则

Ipk=100*9us/450uH=2A;

根据UC1845设计要求,得到:

Rs=1/Ipk=1/2=0.5Ω,为了能有一定的系统余量,取Rsense=0.47Ω。

输出电压采样电路设计

要求Vsense=2.5V,输出电压需要稳定在5.4V

因此设置:

R22=330Ω

R23=2K

R24=2K

输出电容Cout设计

为了尽可能降低输出电压的纹波,应在输出端并接比较大的电解电容,但要同时考虑电解电容的ESR,同时也要并接几个nf级的小电容。由于没有给出允许的输出电压纹波参数,本设计先不考虑输出电容的参数设计。

 

接下篇:

PSpice用于开关电源仿真案例分析(二)