电路在5~30uS时段之间的工作过程是升压型DC/DC(Boost)变换器的第一个工作周期,此后电路重复上述过程连续工作,从而输出电压由暂态的电压一直上升到稳态值。论文参考网。

图2 输出电压、电感电流及控制信号的波形比较
从图2可以通过仿真游标读出,电容C1上的电压经10mS后,达到28.15V并趋近于稳态。电感在2mS内达到稳态,且稳态电流最小值为-22.480mA,电流最大值为1.0735A;电感电流在341.538μS达到最大值5.8334A。为了观察图2中电感电流在暂态时受开关控制的变化情况,对图2进行局部放大,得到图3。

图3 暂态过程时电感电流及控制信号的波形比较放大图
图3说明,在暂态初期,电感电流在开关导通时是逐渐攀升的,并将在341.538μS时达到最大,完成了电感线圈的最大储能,此时为保证器件安全和DC/DC变换器的可靠工作,应注意所选电感的额定电流必须大于6A以上。
3.2 稳态分析
为了研究稳态时的输出功率,避免功率过大对变换器的不利影响,通过电感L1对能量的吞吐来研究。对图1电路中电感的功率进行仿真,得到图4。

图4 L1电感功率波形
从图4中可以测出,经过L1的功率最大值是59.775W,功率最小值是-65.459W,稳态后最大值为15.840W,最小值为-15.011W。图4表明设计变换器时,应充分考虑变换器各器件的承受功率。实际使用器件的功率必须大于仿真得出的器件最大功率,才能保证变换器的安全工作。
图4中 电感功率的波形有正有负,PL为正表示电感吸收能量,PL为负表示电感释放能量,PL波形曲线与时间轴所围面积既是相应时间内电感传递能量的大小。不难看出,电路工作的前两个周期中,电感储存的能量大于释放的能量,第二个周期开始时,电感电流在第一个周期的基础上增长,进一步储存能量,在开关断开时,电感释放出更大能量,以更高的电压向负载提供电压。应该注意到,电感上负电压的幅值对电感电流下降成正比,随着电流下降斜率也随之增加,直到在单个工作周期末尾,电感电流值下降到此工作周期开始时的电感电流值,此时,电感吸收的能量等于其释放的能量,电感不再进一步储能,开关断开时电感提供的负电压不会再增加,电感电流下降的斜率也不会增加,电感进入稳定工作状态。
3.3 参数变化对输出电压的影响
为了研究实际DC/DC变换器电路设计器件的最佳理论值,对图1中L1电感量和负载电阻RL的参数变化进行仿真研究,并将仿真结果作为优化电路设计的依据。
(1) L1电感量变化对输出电压的影响
对图1电路的L1取不同值时,分别进行仿真,得表1。
L1(μH) |
1500 |
1000 |
500 |
200 |
150 |
100 |
输出电压(V) |
25.486 |
25.612 |
25.682 |
26.707 |
28.104 |
30.514 |
表1 L1电感量取不同值时的输出电压
由表1可见, L1 取500μH以上值时对输出电压的控制不太敏感,在选用L1时应根据实际输出电压的需要(27V)选择L1的值为150μH。论文参考网。
(2)负载电阻RL值变化对输出电压的影响
对图1电路的RL取不同值时,分别进行仿真,得表2。
RL (Ω) |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
100 |
150 |
500 |
输出电压(V) |
20.012 |
22.611 |
23.659 |
24.250 |
24.573 |
25.930 |
28.157 |
43.386 |
表2 RL取不同值时的输出电压
由表2可见, RL较小时,输出电压较小,RL较大时,输出电压较大,所以负载的变化将直接影响到输出电压的大小,在选用RL时应根据实际输出电压的需要(27V)选择RL的值为150Ω。需要注意的是由于负载变动对输出电压的大小产生直接影响,实际电路设计时必须加有电压反馈调节电路。
4 结论
升压型DC/DC(Boost)变换器是升压型开关电源的核心电路,对其电路的优化设计将直接影响到开关电源设计质量。通过Pspice仿真的研究,得出结论:负载和电感元件等因素的设计取值将决定变换器输出电压的大小,并且变换器的器件选取也必须小于仿真得出的最大电流和功率值,才能保证变换器的稳定可靠工作。
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