第3章电源应用电路分析与设计 本章主要讲解电源应用电路的分析与设计，包括充电器、电压转换、限流源、开关电源和线性电源； 在原始电路分析透彻的基础上进行量程扩展，并对其保护功能、输入源效应和负载效应进行详细测试。 3.1铅酸蓄电池充电器设计 3.1.1蓄电池充电电路工作原理分析 蓄电池充电电路具体如图3.1所示，工作原理如下。 （1） U1A、D7、R13为充电指示电路，蓄电池充电时发光二极管D7导通发光，充电停止时D7截止、停止发光。RV1、R5、R6提供正端参考电压，该电压值很小； 采样电流电压提供负端电压； 蓄电池充电时U1A的引脚2输出低电平，二极管D7发光工作； 蓄电池充电停止时U1A的引脚2悬空，二极管D7停止工作、不发光。 （2） U1B及附属电路实现充电电压控制。该电压值通过电阻R2、R3和R4对充电电压进行采样，参考电压通过RV1进行调节。当充电电压高于参考电压时U1B输出低电压，蓄电池充电停止，反馈电压与输出电压关系为 VFB=VOUT×R4R2+R3+R4=VOUT×1022.2=0.45VOUT（3.1） 由于二极管D6和采样电阻R12的原因，反馈电压精度将受到影响。由于充电电流恒定，R12两端电压保持恒定，二极管D6导通压降也保持恒定，所以通过调节RV1可以保证充电电压的准确度。 图3.1蓄电池充电电路 （3） U1C和T4及附属电路实现充电电流参考值设置。蓄电池电压低时U1C的引脚14输出低电压，U1D的引脚11为低电压VL，实现小电流充电； 蓄电池电压高时U1C的引脚14输出悬空，U1D的引脚11为高电压VH，实现大电流充电。R12为充电电流采样电阻。 VL= 8×0.939.9=0.18V，VH=8×0.939∥22∥100+0.9=0.543V（3.2） （4） U1D及附属电路实现恒流充电控制电路，U1D的引脚13输出电压用于控制电流功放电路T1、T2、T3实现电流放大及恒流控制，电流采样电阻R12=0.47Ω时，有： IL= VLR12=0.180.47=0.383A，IH=VHR12=0.5430.47=1.155A（3.3） （5） 变压器TR1、D1、D2、C1实现交流220V交流转直流功能，为蓄电池供电。D3、U1、C2、C3实现辅助8V电压源功能。 3.1.2时域分析与测试 首先利用PSpice对充电电路进行瞬态仿真分析，加深对电路的理解，具体仿真电路如图3.2所示。具体瞬态仿真设置如下所述。 （1） 仿真时间与最大步长： 仿真时间设置取决于蓄电池充电电压设定及充电量大小，最大步长决定仿真精度及波形显示分辨率，具体设置如图3.3和图3.4所示。 (2) Options设置： 决定仿真精度、收敛性和仿真速度。 (3) 波形显示窗口： 设置波形显示特性和内容，正确设置能够大大提高仿真速度和波形提取速度，非常实用，具体设置如图3.5所示。 (4) 瞬态仿真波形复制设置： 仿真结果包括波形和数据，能够复制到Office软件进行后期应用和处理，具体设置如图3.6所示。 瞬态仿真波形如图3.7所示，图3.7（a）为充电指示灯电流波形，电流为10mA时蓄电池充电，电流为0时充电截止； 图3.7（b）为蓄电池充电电压波形，从初始值8.5V充电至16V，充电电压值通过电位器RV1进行调节； 图3.7（c）为充电电流波形，蓄电池电压小于9.5V时采用小电流253mA充电，大于9.5V时采用1.05A充电，充电电流与计算值存在约0.1A的误差： IL=VLR12=0.180.47=0.383A，IH=VHR12=0.5430.47=1.155A 误差主要由比较器电路决定，尤其电阻R15，但是通过系统调整参数值可以满足充电电流整体要求。 如图3.8所示，蓄电池充电电流参考电压波形的低压为180mV，高压为537mV，与计算值基本一致： VL=8×0.939.9=0.18V，VH=8×0.939∥22∥100+0.9=0.543V 图3.2蓄电池充电仿真测试电路 图3.3瞬态仿真设置 图3.4Options设置 图3.5波形显示窗口设置 图3.6瞬态仿真波形复制设置 图3.7仿真波形 图3.8蓄电池充电电流参考电压波形 3.1.3参数分析与测试 充电瞬态仿真分析设置和电阻参数设置具体如图3.9和图3.10所示，时长为20ms、最大步长为5μs，当电阻参数值RV分别为0.3kΩ、0.4kΩ、0.5kΩ时对电路进行仿真分析。 图3.9瞬态仿真分析设置 图3.10参数RV设置 充电电压和充电电流波形具体如图3.11所示，图3.11(a)为充电电压波形，图3.11(b)为充电电流波形； 通过设置RV参数值调节蓄电池充电电压值，使得调节非常方便。 图3.11充电电压和充电电流波形 充电电流参数仿真设置及测试波形如图3.12~图3.14所示，充电电流与电阻Rs近似成VH/Rs比例关系。 图3.12充电电流参数设置： 通过设置采样电阻值调节充电电流 图3.13Rs=0.47Ω时充电电流约为1A 图3.14Rs=0.94Ω时充电电流约为0.5A 3.2可充电LED台灯电路工作原理仿真分析和实际测试 3.2.1可充电LED台灯工作原理分析 LED台灯电路如图3.15所示，具体工作原理如下所述。 1. 点亮过程 平常灯不亮时C1由+B（+B为铅蓄电池正极）通过R1、R2、R3充电至+B，此时灯不亮为待机状态。使用时当按下SW然后松开，C1的正极被短接到Q1的b极，而C1的负极连接Q1的e极，由于C1两端电压为+B且不能突变，故Q1因Ube1电压足够大进而很快进入饱和状态，Q1饱和后其c极电位几乎为0V，+B则通过R1、R2分压加至Q4的b极，Ube4正偏，于是Q4也迅速饱和导通，使Q4的c极电位几乎为+B，该电路产生两个作用。 （1） 使稳压管ZD1（稳压值约为2.5V）反向击穿、D3正向导通，之后剩余电压加至Q1的b极，使Q1维持饱和，实现自保。 （2） 此+B电压经R6和R5分压加至Q3的b极，使Q3也饱和导通，于是高亮度LED有电流流过而发光，电灯开始照明。Q1由于自保维持饱和导通，其c极电位几乎为0，则C1通过R3、Uce1放电而使其两端电压为0V。 图3.15可充电LED台灯电路 2. 关闭过程 如果在照明状态下再按一下SW并松开，由于C1两端电压为0V，使Q1的be结电压为0V而截止，Q1的c极因Q1截止变为+B电位，Q4的b极也因R1、R2分压为+B电位，Q4的be结电压因0V偏置而截止。Q4的c极失去+B电压使Q3截止，3个LED无电流通过而熄灭(电灯被关闭)，此时C1又由+B通过R1、R2、R3充电，为下次动作准备就绪。 3. 充电状态 充电器的直流电源Vcc通过D1接入+B，为铅蓄电池充电，同时VCC通过D2加至Q4的b极，使Q4维持截止状态，此时即使按下SW，Q1无论是导通或截止，Q4均截止，所以Q3也截止，3只LED无电流通过而不亮.以免影响充电。 4. 铅蓄电池充满电 实测+B电压为4.2V，为使Q1在使用时能够维持饱和导通(能自保)，+B必须大于Uce4+Uzd1+UD3+Ube1=0.2+2.5+0.6+0.6=3.9V； 当+B电压在使用中降至3.9V以下时，不足以使ZD1反向击穿，Q1无法实现自保，此时出现现象： 按下SW后3只LED闪亮一下或维持几分钟后熄灭，可能误认为灯损坏出现故障，实际此时应该充电。 由于+B只有4V，故该电路工作在低电压情况下一般元件不易损坏，只有Q3以及R7、R8、R9工作时电流较大，维修时应重点考虑VCC为3.3~4.2V时的情况。 3.2.2开启与关闭过程测试 1. 开启过程 开启过程仿真电路及其元器件表分别如图3.16和表3.1所示，参数取值为C1=4μF,IC1=4A,C2=0,IC2=0。Q1初始时处于关闭状态。 图3.16开启过程仿真电路 表3.1电路仿真元器件表 编号名称库型号参数备注 R1电阻ANALOGR4.7kΩ R2电阻ANALOGR4.7kΩ R3电阻ANALOGR91kΩ R4电阻ANALOGR10kΩ R5电阻ANALOGR10kΩ R6电阻ANALOGR220Ω R7电阻ANALOGR2Ω C1电容ANALOGC10μFIC=4A C2电容ANALOGC10nFIC=0A D1二极管DIODEMUR1560 D2二极管DIODED1N4148 D3二极管DIODED1N4148 ZD1稳压管BREAKOUTDbreakzBV=2.25V2.5V稳压管 LED二极管DIODEMUR1560由二极管代替LED模型 Q1三极管BIPOLARQ2N5551小信号三极管 Q4三极管BIPOLARQ2N5401小信号三极管 Q3三极管BJNTIP50功率三极管 U1常闭开关ANL_MISCsw_tCloseTCLOSE=5ms模拟开关过程 U2常开开关ANL_MISCSw_tOpenTOPEN=20ms模拟开关过程 IC直流电流源SOURCEIDC500mA直流电流源，模拟充电 VB直流电压源SOURCEVDC4.5V直流电压源，模拟电池 开启过程测试结果如图3.17所示。5ms时U1闭合，20ms时U2断开，利用U1和U2模拟开关SW接通和断开的过程； U1闭合时LED工作，但是U2断开后不久LED停止工作，自保持功能消失。由于R3电阻太大，Q1导通时R1两端电压不能维持Q4导通，从而Q3截止，LED停止工作。 图3.17开启过程测试波形 2. 关闭过程 关闭过程仿真电路如图3.16所示，相关参数取值为C1=10μF，IC1=0，C2=10nF，IC2=1A。Q4初始时处于导通状态，从而Q3初始时刻也正常工作，LED有电流流过。 关闭过程测试结果如图3.18所示。初始时刻LED导通，5ms时U1闭合，20ms时U2断开，利用U1和U2模拟开关SW接通和断开的过程。U1闭合时LED已工作，但是U2断开后不久LED停止工作，关闭功能正常。之所以U2断开后LED还工作一段时间，主要原因是电容C1的电压从0V充电到电池电压的过程中Q4导通一段时间，通过ZD1和D3使Q1继续工作一段时间，直到C1电压与电池电压相同时Q4关断，Q1停止工作。 图3.18关闭过程测试波形 3. 电路修改后仿真 通过仿真可以看到，无论开启过程还是关闭过程，电路工作均不正常，而且参考的原始资料似乎存在问题（通过R1、R2、R3充电至+B，通过R1、R2分压加至Q4的b极），电容C1充电时并未通过R3，所以可以猜测电路中连线存在错误——利用仿真进行电路故障分析、定位、排除。 电路修改后开启和关闭功能仿真分析如图3.19所示，R2与R3的连接点改变，参数取值为IC1=4A，IC2=0。此时电路与实际分析一致。 开启过程测试结果分析如图3.20所示，开启5ms时U1闭合，20ms时U2断开，利用U1和U2模拟开关SW接通和断开的过程。U1闭合时LED工作，U2断开后LED继续工作，实现自保持功能。 关闭过程测试电路与波形分别如图3.19和图3.21所示，参数取值为IC1=0,IC2=1A。5ms时U1闭合，20ms时U2断开，利用U1和U2模拟开关SW接通和断开的过程。U1闭合时LED关断，U2断开后LED继续关断，实现LED关闭功能。 电池电压变化时，测试电路与波形分别如图3.22和图3.23所示，其中IC1=4A，IC2=0时电路开启； IC1=0，IC2=1A时电路关闭。5ms时U1闭合，LED正常工作。在20ms时电池电压开始线性下降，当电池电压下降到约3.9V时LED关断，即电池电压过低时能够自动关断，实现对电池过放保护。 图3.19修改后的开启和关闭过程仿真电路 图3.20开启过程LED电流波形 图3.21关闭过程LED电流波形 图3.22电池电压变化仿真电路 图3.23电池电压变化时的测试波形 图3.24充电电路仿真分析 如图3.24所示，仅测试充电功能时，电池由电容代替，容量为1F、初始值为4V。充电电源由恒流源代替，电流为500mA。充电时LED不能正常工作，测试波形如图3.25所示，只能处于关闭状态，主要由二极管D2实现对Q4的限制，使其不能导通。 图3.25充电功能测试波形 充电功能和LED同时工作时，电路如图3.26所示，取代电池的电容为1V，初始值为4V，恒流源电流为1A。充电时LED能正常工作，测试波形如图3.27所示，同时实现对电池充电，只是充电电流源Ic的电流值比较大。 图3.26充电电路仿真分析——去掉二极管D2 图3.27测试波形 3.2.3LED充电电路完整功能测试 LED充电灯完整电路如图3.28和图3.29所示，220V交流电通过电容和整流桥对模拟电池Bat进行充电，电阻R2和DL为充电指示灯； SW1为LED启动开关，R3为限流电阻； 详细元器件列表见表3.2。 图3.28实际LED充电电路 图3.29LED模型 表3.2LED充电灯完整电路仿真元器件表 编号名称库型号参数备注 R1电阻ANALOGR1MΩ R2电阻ANALOGR1kΩ R3电阻ANALOGR6.8Ω C1电容ANALOGC1μF Bat电容ANALOGC1FIC=4A、模拟电池 D1二极管DIODED1N4007 D2二极管DIODED1N4007 D3二极管DIODED1N4007 D4二极管DIODED1N4007 DL二极管DIODED1N4007充电指示发光二极管 LED1二极管DIODED1N4007由二极管代替LED模型 LED2二极管DIODED1N4007由二极管代替LED模型 LED3二极管DIODED1N4007由二极管代替LED模型 LED4二极管DIODED1N4007由二极管代替LED模型 SW1常闭开关ANL_MISCsw_tCloseTCLOSE=0ms模拟开关过程 Vsin交流电压源SOURCEVsin310V、50Hz市电输入 测试波形如图3.30所示，图3.30（a）为LED电流波形、约为108mA、保持恒定，图3.30（b）为电池电压波形、通过220V交流电进行充电； 由于220V交流电为电池充电达到稳态需要一定时间，而仿真时间比较短——毫秒级，所以LED电流和电压仿真波形均有微小增大趋势，当仿真时间足够长——秒级时二者将达到稳态。 图3.30LED电流和电池电压波形 3.2.4电路性能改进 改进型电路增加基极电阻R8,Q3由三极管更换成达灵顿管，电阻R6阻值由220Ω增大为1kΩ，修改后Q1的工作状态更加柔和、不易损坏，电阻R6损耗降低，Q3更换成达灵顿管之后可以提供更大功率，具体改进电路如图3.31所示,其中IC1=4A，IC2=0时，电路开启； IC1=0，IC2=1A时，电路关闭。 图3.31改进型电路 仿真测试波形如图3.32所示，图3.32（a）为LED电流波形，可以输出更大电流，从而输出更大功率。图3.32（b）为电池电压波形，电压低于约3.9V时LED关闭。增加电阻R8并未影响电路正常工作，但是可以保护Q1基极免受冲击。 图3.32改进型电路的仿真测试波形 改进型完整电路仿真分析包括充电电路、LED控制电路以及LED模型，具体如图3.33所示。充电时，LED不能正常工作，通过改变Vsin的分量VAMPL进行设置，VAMPL=310V时充电； VAMPL=0V时工作。LED控制电路在IC1=4A，IC2=0时开启； IC1=0，IC2=1A时关闭。 图3.33改进型整体电路 图3.33(续) 改进型电路测试波形如图3.34所示，图3.34（a）为LED电流波形，图3.34（b）为电池电压波形，图3.34（c）为充电电流波形； 充电时LED不能正常工作，只是在开始时闪亮几下，然后保持关闭。 图3.34改进型电路测试波形 不充电时波形数据如图3.35所示，图3.35（a）为LED电流波形，图3.35（b）为电池电压波形，图3.35（c）为充电电流波形。不充电时LED正常工作，电池电压下降。 图3.35不充电时测试波形 3.3限流源模型分析与测试 通常测试电路需要使用限流电源，以保证电源和被测电路的安全，但是PSpice中的独立电源没有限流功能，因此必须单独添加此功能。如果电源在电流限制期间未产生连续电压，则限流功能可能出现收敛问题。目前PSpice软件中没有基本元件能够通过简单方法生成类似响应。 PSpice可以利用行为模型建立分段线性响应，每段区域均能够通过非线性函数进行表征，该功能恰与“Table”表格模型相对应，表格模型中的每个区域只能由线性响应表示。 3.3.1有源负载测试 限流电压源的有源负载测试电路如图3.36所示，利用EVALUE行为模型和IF语句建立限流电压源模型，使用余弦锥度函数实现电源平稳、受控过渡，利用参数进行具体设置。图3.36(a)中，Delta表示电流误差范围(0.01=1%)； Voltage表示正常工作输出电压值，(Voltage=5V)； ILimit为限流值，表示过载时电源恒流输出值(ILimit=50mA)； Rmin表示电源等效输出电阻(Rmin=1μΩ)。图3.36(b)中，参数取值为Vripple=60mV,Fripple=20kHz。 图3.36受控源模型测试电路 具体模型语句如下： IF(I(Vs)<{(1-Delta/2)*ILimit},{Voltage}+V(Ripple),IF(I(Vs)>{(1+Delta/2)*ILimit},0,({Voltage/2})*(1+cos(3.14*(I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit})/{ILimit*Delta})))) f(Vs)={Voltage/2}*(1+cos(3.14*(I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit})/{ILimit*Delta})语句解释： cos(3.14*(I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit})/{ILimit*Delta})= cosπ×I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit}ILimit*Delta 当I(Vs)=(1-Delta/2)*ILimit时cos(3.14*(I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit})/{ILimit*Delta})= cos(0)=1，此时f(Vs)=({Voltage/2})*(1+1)= Voltage； 当I(Vs)=(1+Delta/2)*ILimit时cos(3.14*(I(Vs)-{(1-Delta/2)*ILimit})/{ILimit*Delta})= cos(3.14)=-1，此时f(Vs)={Voltage/2}*(1-1)= 0； 所以电流在Delta×ILimit范围内变化时实现输出电压从{Voltage}~0连续变化,实现了电路收敛。 1. 直流分析 ILoad直流分析的仿真设置与测试波形分别如图3.37和图3.38所示，当电流在Delta范围内变化时输出电压VVOUT从5V平缓降为0V，其一次导数和二次导数分别如图3.38的曲线所示，利用余弦锥度函数使得限流电路完美收敛。 由于RF通过电流，所以影响ILimit和Delta设置精度，RF阻值越大对精度影响越小。具体测试电路参考图3.36(a)，其中需要根据电路精度选择RF阻值，因此采用参数RFV表示RF的值，该值对电路稳定性产生一定影响。测试电路的仿真设置如图3.39和图3.40所示。 RF=10kΩ时负载特性曲线和数据如图3.41所示，电流约为50.236mA时输出电压约为8.8mV，电流约为49.268mA时输出电压约为4.9877V，与ILimit=50mA和Delta存在约0.5%误差 50.236+49.2682=49.752 图3.37直流仿真设置 图3.38仿真测试波形 图3.39ILoad直流仿真设置 图3.40RF参数仿真设置 图3.41RF=10kΩ时负载特性曲线和测试数据 RF=10MΩ时负载特性曲线和数据如图3.42所示，电流约为50.24mA时输出电压约为5.18mV，电流约为49.764mA时输出电压约为4.9896V，与ILimit=50mA和Delta基本一致 50.24+49.7642=50.002 2. 瞬态分析 仿真设置与测试波形分别如图3.43和图3.44所示，负载电流大于50mA时输出电压约为0V，负载电流小于50mA时输出电压约为5V，转换过程系统稳定工作，即使电压存在60mV纹波。 图3.42RF=10MΩ时负载特性曲线和测试数据 图3.43瞬态仿真设置 图3.44瞬态测试波形 3.3.2无源负载测试 利用无源负载对限流源进行测试，并且与有源负载时的特性进行对比，测试电路如图3.45所示。 图3.45无源负载测试电路 1. 直流分析 负载电阻RL从1Ω线性增加到200Ω时,直流仿真设置和仿真波形分别如图3.46和图3.47所示，负载电阻小于100Ω时的输出电流近似恒为50mA，电路实现限流输出功能，即该电源最大输出50mA，与有源负载的60mA/0V存在矛盾，负载电阻大于约100Ω时输出5V恒定电压，电路实现限流功能，所以测试电源负载特性时尽量使用无源负载，以保证测试的准确性。 2. 瞬态分析 当负载电阻为120Ω时电源工作于恒压状态，输出电压约为5V（有纹波）； 当负载电阻为20Ω时电源工作于恒流状态，输出电压约为20×50=1V（无纹波）； 具体仿真设置和测试波形分别如图3.48和图3.49所示。 图3.46直流仿真设置 图3.47仿真测试波形 图3.48瞬态仿真设置 图3.49瞬态测试波形 3. IF语句仿真收敛对比测试 如图3.50所示，当比较语句更改为IF(I(Vs)<{ILimit},{Voltage},0)，仿真将出现不收敛（见图3.51），并且无法通过Options设置使其收敛，从而体现IF语句比较功能时函数的重要性。 图3.50修改比较语句之后的电压源模型 图3.51仿真不收敛 很多时候仿真不收敛与电路结构和设置有关，如果实际电路与仿真设置完全一样，但实际电路还可能出现问题： 工作不稳定、振荡、元器件和电路板损坏。当实际电路仿真出现不收敛时一定要认真思考，找到问题根源是电路设计还是仿真故障。 3.4高效降压变换器 3.4.1工作原理分析 TL431可编程精密基准电压源通常用于低成本降压开关变换器设计，以发挥其基准电压源和电压比较器的双重功能，通过调节反馈电阻参数值进行输出电压设置。图3.52为输出5V/1A电源的实际测试电路，其中VDC=20V，为输入直流电压值； Vout=5V，为输出电压值； Iout为输出电流值，取1表示工作于断续模式，取2表示工作于连续模式； RatioH=0.9，为输出脉冲电流高比率； RatioL=0.1，为输出脉冲电流低比率； Lfv=15μA或150μA，为滤波电感Lf的参数值，此值影响开关频率(近似平方根关系)； R4v=10Ω或者50Ω，为正反馈分压电阻R4参数值，阻值越大输出电压越大、纹波越大。 图3.53为压控负载，表3.3为主要元器件列表，整机效率约为70%。仿真分析时可为输出滤波电感Lf和电容Cf设置初始电流和电压值，如果不能确定其初始值，也可由软件自动配置初始值，但是瞬态仿真时间可能比较长，并且最大仿真步长尽量设置小，因为开关频率和上升/下降沿时间不能确定，为保证仿真结果的准确性，Option精度应设置足够高。PSpice对开关变换器各元器件的寄生参数非常敏感，所以仿真结果与测量结果存在微小差异。 图3.52主电路和参数设置 图3.53压控负载 表3.3主要元器件列表 编号名称型号参数库功 能 注 释 R1电阻R2.2kΩANALOG偏置电压 R2电阻R1kΩANALOG偏置电流 R3电阻R4.7kΩANALOG偏置电压 R4电阻R10ΩANALOG正反馈 R5电阻R4.7kΩANALOG正反馈 R6电阻R4.7kΩANALOG偏置电流 R7电阻R{(Vout/2.5-1)×51kΩ}ANALOG负反馈 R8电阻R51kΩANALOG负反馈 RLf电阻R30mΩANALOG滤波电感Lf串联电阻 RCf电阻R20mΩANALOG滤波电容Cf串联电阻 RLoad压控电阻层电路见图3.53等效负载 RL可控电阻VARIRES .SUBCKT VARIRES 1 2 CTRL R1 1 2 2E10 G1 1 2 Value = { V(1,2)/(V(CTRL)+1u) } .ENDSAPPLICATION等效负载 Lf电感L{Lfv}ANALOG输出滤波 Cf电容C{Cfv}ANALOG输出滤波 C1电容C100nFANALOG稳压滤波 C2电容C10nFANALOG反馈补偿 D1二极管D1N5822Is=8.5μA、Bv=40VDIODE反向续流 Q1达林顿TIP117100V/2ADARLNGTN功率开关 Q2三极管MPSA20Is=1.9fA、Bv=40VBIPOLAR信号放大 U1基准源TL431见模型VR环路控制 VIN正弦电压源Vsin见图3.52SOURCE功率输入 Vctrl脉冲电压源VPULSE见图3.52SOURCE负载控制 工作原理： U1驱动Q2使得Q1工作于开关状态，通过反馈分压和补偿网络使系统工作于恒压状态，电感Lf和电容Cf实现能量的存储与交换。R1、R3、C1构成偏置电压，使得TL431的输出控制电压为合适值以发挥其最高精度。R2为Q2提供偏置电流，稳定其放大功效。R5为U1提供偏置电流，使其稳定工作。R4和R6为TL431提供正反馈，使得开关在开通和关断期间更稳定、不振荡。Q1导通时SW点电压升高，使得PFB点电压升高，从而TL431输出高压，则Q1保持导通； Q1关断时SW点电压降低，使得PFB点电压降低，从而TL431输出低压，则Q1更加关断。R7、R8、C2构成输出电压负反馈。电阻负责分压，使得NFB点电压约为2.5V，改变R7电阻值调节输出电压幅度。C2起到环路稳定补偿作用，使得容性负载和测试状态变化时系统都能稳定工作。RLoad为等效负载，利用电压控制其阻值，实现负载效应调节与测试。VIN为输入供电电源，具有偏置电压和纹波设置功能，用于源效应、输出纹波、整机效率测试。Vctrl为负载控制电源，通过电压控制RL阻值，从而调节输出电流，可工作于直流和脉冲状态，用于测试负载效应。 3.4.25V/1A功能测试 稳态时输出电压约为5.4V、输出电流1.07A，变换器工作于断续模式。稳态时输出电压纹波峰峰值Vpp=87mV、输出电流纹波峰峰值Ipp=17.4mA。相关参数设置为： VDC=20V，VOUT=5V，Iout=1A,RatioH=1,RatioL=1,Lfv=150μF,R4v=10Ω。仿真设置和测试波形分别如图3.54和图3.55~图3.58所示。 图3.54功能测试仿真设置 5V/1A源效应测试的仿真设置和测试波形数据分别如图3.59和图3.60所示，其中部分参数设置为： RatioH=1,RatioL=1,Lfv=150μF,R4v=10Ω，VOUT=5V，IOUT=1A。VDC分别为20V和10V时输出电压相差约285mV。 5V/1A输出电压纹波测试数据如图3.61所示，VDC分别为20V和10V时输出电压纹波分别约为87mV和83mV，输入电压越高、输出电压纹波越大。 5V/1A整机效率测试的仿真设置和测试波形数据分别如图3.62和图3.63所示，输入平均功率约为7.2W、负载平均功率约为4.95W，整机效率约为4.95/7.2=68.8%。 图3.555V/1A稳态时输出电压和电流 图3.565V/1A稳态时开关电压和电感电流波形——断续模式 5V/0.1~0.9A脉冲负载测试的参数设置为： VDC=15V，Vout=5V,Iout=1A,RatioH=0.9,RatioL=0.1,Lfv=150μF,R4v=10Ω。测试波形如图3.64所示，输出电流改变瞬间输出电压出现微小跳变，但在约200μs时间内恢复正常。输出0.9A电流时开关频率高，输出0.1A电流时开关频率低。负载突变时系统能够稳定工作。 图3.575V/1A，Lfv=150μF稳态时输出电压、电流纹波及测试数据： Vpp=87mV, Ipp=17.4mA,开关周期约为10kHz 图3.585V/1A,Lfv=15μF稳态时输出电压、电流纹波及测试数据： Vpp=133mV, Ipp=26.2mA,开关周期约为20kHz 图3.59仿真设置 图3.605V/1A时的源效应测试波形和测试数据 图3.615V/1A时输出电压纹波测试数据 图3.62仿真和参数设置 图3.635V/1A时功率测试波形和测试数据 图3.64输出电压与负载电流波形 3.4.35V/2A功能测试 稳态时输出电压约为5.2V、输出电流2.1A，变换器工作于连续模式，参数设置为VDC=20V，Vout=5V,Iout=2A。RatioH=1,RatioL=1,Lfv=150μF,Rv=10Ω。测试波形和数据分别如图3.65和图3.66所示。电源启动时输出电压和负载电流均从0开始逐渐增大，最后达到稳态值。开关电压为高电平时，电感Lf电流增大，开始储能； 开关电压为低电平时，电感Lf电流减小，开始释放能量。此时电源工作于连续模式。 图3.655V/2A稳态时输出电压、电流波形与测试数据 图3.665V/2A稳态时的开关电压和电感电流波形——连续模式 3.5单电源缓冲电路设计 设计指标： 输出电压10V、电流100mA、带宽100kHz。 其中，电路使用的运算放大器的极点和增益设置函数为： GAIN=Gop1+S6.28×fp11+S6.28×fp2 其中，fp1为运放第一极点频率，取值为10Hz; fp2为运放第二极点频率，取值为100MHz； Gop为直流增益频率，取值为1MHz。电容参数C1v=1.6nF。 3.5.1瞬态时域分析与测试 正常工作时，输出10V/100mA； 测试电路、仿真设置、输出电压和电流波形分别如图3.67~图3.69所示，电路正常工作时输出电压为10V，负载电流为100mA。 图3.67正常工作时稳态测试电路 图3.68瞬态仿真设置 图3.69输出电压与电流波形 3.5.2供电源效应测试 当图3.67中的供电电源VDC在10.8~12V变化时测试输出电压特性，VDC的TR和TF分别为100μs时输出电压瞬间变化约40mV，测试波形如图3.70所示。VDC的TR和TF分别为10μs时输出电压瞬间变化约400mV，测试波形如图3.71所示。当供电电源稳定后输出电压恢复至10V，输出过冲与供电VDC的上升、下降沿速度有关。 图3.70VDC的TR和TF为100μs时的输入输出波形 图3.71VDC的TR和TF为10μs时的输入输出波形 3.5.3输入信号源VIN测试 输出10V/100mA时测试图3.67中输入信号VIN对输出电压的控制特性，当输入信号VIN在4.8~5V脉冲变化时，输出电压VOUT在9.6~10V脉冲变化，电源实现VOUT=2VIN的输出控制功能，具体波形如图3.72所示。 图3.72输入、输出电压波形： VOUT=2VIN 直流仿真设置和测试波形与数据分别如图3.73和图3.74所示，当输入电压VIN<5.88V时，输出电压VOUT=2VIN； 当输入电压VIN>5.88V时，输出电压VOUT=11.756V，此时发生输出饱和。 图3.73直流仿真设置 图3.74直流测试波形与数据 3.5.4负载效应测试 负载在50%~100%变化时测试输出电压特性，此时图3.67的供电电源VDC的参数TR=10μs,TF=10μs,开关S1的参数TCLOSE=0.4ms，开关S2的参数TOPEN=0.8ms。负载特性测试曲线及数据如图3.75所示，输出电压为10V，负载电流由50mA增大至100mA时输出电压下降约264mV，16.7μs恢复正常。输出电压为10V，负载电流由100mA降低至50mA时输出电压上升约260mV，16.7μs恢复正常。负载变化期间输出电压无振荡，系统能够稳定工作。 图3.75负载特性测试曲线及数据 3.5.5频域稳定性分析 频域稳定性测试电路如图3.76和图3.77所示，其中，参数取值： C1v=1.6nF,CL1v=10nF。利用VG1、CT、LT对环路进行幅频和相频测试，以检验系统的稳定性，利用不同电路分别进行开环和闭环性能测试，以对比二者的统一性。 图3.76开环频域稳定性测试电路 图3.77闭环频域测试电路、运放极点与增益设置函数 备注： （1） V1=5V提供直流工作点，对应输出10V，应正确设置，否则频率特性不正常。 （2） fb1和fb2均为负反馈。 （3） 交流测试频率范围为1Hz~100MHz，具体设置如图3.78所示。 图3.78交流仿真设置 频率特性曲线及数据如图3.79所示，fb1与fb2谁强谁起作用，即DB(VVLOOP/VVP)与DB(VVLOOP/VVM)谁低谁起作用。最终运放Aol曲线DB(VVOA/VVM,VP)与总反馈曲线DB(VVLoop/VVM,VP)交越增益为-20dB/DEC，环路稳定工作、相位裕度约90°。R2、C1构成的零点频率与RL、CL构成的极点频率互相抵消。因为此时DB(VVLOOP/VVM)增益比较小，所以C2补偿不起作用。直流时有： DB(VVLOOP/VVM)=20log0.815=-15.81 即输出电压从0V增大到10V（100mA）时运放输出电压VOA的变化量与反馈量之比为： 11.43-10.625=0.815 所以直流增益为-15.81dB，仿真测试值为-14.5dB，二者基本一致。 图3.79频率特性曲线及数据 备注： （1） VIN提供直流工作点，应正确设置，否则工作不正常！设置VIN参数进行瞬态和直流测试——输入信号源效应与输出满度。 （2） CL与C1相对应，同时增大或减小相同倍率，用于负载电容补偿。 （3） 输出过冲是指运放输出端，并非电源输出端。 （4） 瞬态仿真设置最大步长应与fcl相匹配： t=1/(10×fcl)。 （5） CL=1nF、R3=50MΩ时域稳定，频域与时域特性一致。 （6） S1和S2测试50%~100%负载转换效应，调节时间与闭环带宽相对应，测试不同转换时间对应的输出电压特性，TRAN分别为10μs、100μs。 （7） 供电电源VDC在10%变化时测试输出电压特性，测试不同转换时间对应的输出电压特性，TR和TF分别为10μs、100μs。