开关电源Boost变换器输出纹波的仿真研究
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收稿日期 : 2010203209 作者简介 : 徐 琛 ( 19832) , 男 , 湖北十堰人 , 硕士研究生在读 , 研究方向为电气驱动与控制 。
式中 ,U sat 为 Q 1 的饱和电压降 。 当 Q 1 截止时 ,续流二极管 VD 因加正向电压而导 通 ,存储在电感 L 上的能量通过 VD 、 RL 和 Co 回路释 放 。同理因为电感 L 的电流不能突变 , 回路中的电流 iL 从 Imax 开始线性减少 ,再经过 Toff 时间 ,Q 1 从截止重 新变为饱和导通 ,此时 iL = Imax + ΔiL- 减小到最小值 , 即 iL 在 Ton 内的正增量与在 Toff 内的负增量数值恰好 相等 。故电感电流的负增量 ΔiL- 可表示为 :
Boo st 型变换器拓扑结构如图 1 所示 [ 2 ] 。 由图 1 可知 : 当 Q 1 导通时 , 输入电压 U in , 通过电 感 L 和 Q 1 形成回路 , 而续流二极管 VD 截止 , 此时电 感 L 中的电流 iL 即为回路电流 。由于电感中的电流 不能突变 ,其两端会产生一个极性为左负右正的自感 电势 ,这时电感 L 存储能量 。iL 从最小值开始以斜率 d i U in - U sat = 线 性 增 加 , 经 过 Ton 时 间 达 到 最 大 值 dt L
ton + toff
Δ iL =
-
∫
ton
U 0 + U D - U in U 0 + U D - U in dt = T off L L ( 2)
+ Δ ∵ iL = Δ iL
∴
U in - U sat U o + U D - U in t on = t off L L
( 3)
・1 5 ・
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
纹波系 数/ %
1 . 68 1 . 29 1 . 10 0 . 97 0 . 88 0 . 82 0 . 78 0 . 73 0 . 68 0 . 65 0 . 62 0 . 59
图 2 Boost 变换器的 Pspice 仿真模型
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Teleco m Power Technology
May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
则输出电压 U o 为 :
Uo = = ton + toff ton U in U sat - U D toff toff ton T U in U sat - U D t off toff ( 4)
Analysis of Outp ut Voltage Ripple fo r Boo st Converter in Switching Mode Power Supply
XU Chen ,W EI Zhe , YE Liang ( Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430070 ,China) Abst ract : On t he basis of analysis of typical DC - DC co nversio n topological st ruct ures , a simulation model of boo st DC - DC co nverter in PSpice was built . After scanning and analyzing t he parameters of outp ut ripple voltage of boo st con2 verter. The result s shows t hat inp ut voltage , inductance and load resistance give different effect s on outp ut ripple voltage in t he t hree kinds of wo rking styles. The conclusion p rovides a certain t heoretical basis to design and build t he boo st DC - DC co nverter. Key wo rds : boo st converter ;topology st ruct ures ;o utp ut ripple voltage ; simulation model fo r Pspice.
图 1 Boost 型变换器典型拓扑结构图
Imax ,之后 Q 1 从饱和导通转入截止 。故电感电流的正
增量 ΔiL+ 可表示为 :
t on + Δ iL =
∫
0
U in - U sat U in - U sat dt = t on = Imax L L
( 1)
1 Boost 变换器拓扑结构分析
・1 6 ・
由表 1 和图 4 可知 : 输出电压纹波随着输入电压 的增大而单调减小 。而在输入电压较小时输出电压纹 波系数较大 ,这是因为输入电压较小时 ,提供给电路的 总能源较小 ,但电路功耗一定 ,故输出电压纹波系数较 大 ,但是输出电压纹波系数基本在 1 . 7 %以内 。 (2) 储能电感的影响 对储能电感在 0 . 1 ～ 300 μH 范围内变化的仿真 分析如图 5 所示 ,其参数变化如表 2 所示 。
2 建模与仿真分析
2 . 1 Boost 变换器的仿真模型构建 由图 1 可以构建 Boo st DC - DC 变换器的仿真模
型 ,如图 2 所示 [ 3 ] 。采用 N 沟道 MOS 管 IRF150 作开 关管 ,使用工作频率为 40 k Hz 、 占空比为 33 . 3 %的脉 冲源 V 2 控制 MOS 管的通断 , R2 为 MOS 管栅极限流 电阻 ,D1 采用 1 N 4148 , 忽略直流源内阻 , 其它部分与 图 1 相对应 。仿真中参数设置为 : U in 为 12 V ,L 1 取 400 μH ,C1 为 47 μF ,负载电阻为 36 Ω 。
谷值/来自百度文库V
7 . 165 12 . 221 16 . 508 20 . 953 25 . 515 30 . 066 34 . 819 39 . 387 44 . 105 48 . 865 53 . 660 58 . 460
U pp / V 0 . 126 0 . 194 0 . 247 0 . 290 0 . 328 0 . 371 0 . 410 0 . 439 0 . 456 0 . 490 0 . 515 0 . 532
变换器的工作模式分成连续导电模式 ( CCM ) 与不连 续导电模式 ( DCM ) 。其模式与临界电感 L c 的关系 为[ 4 ] : 2 2 RL D ( 1 - D) RL U i ( U o - U i ) ( 6) Lc = = 3 2f 2 f Uo 根据电感电流的最小值与输出电流的比较 , 可将 其分成完全电感供能模式 ( CISM ) 和不完全电感供能 模式 ( IISM) 。而 CISM 与 IISM 的临界电感 L k 为[ 4 ] : 2 2 RL ( 1 - D) RL U i ( 7) Lk = = 2 2f 2 f Uo 式中 , f 为开关频率 ; D 为开关的导通比 ; RL 为负载电 (7) 可 阻 ;Ui 、 U o 分别为输入和输出电压 。由式 ( 6 ) 、 知 ,由于 D < 1 ,因此 L k > L c 。所以 ,工作于 CCM 模式 的 Boo st 变换器既有可能工作于 CISM 模式 , 也有可 能工作于 IISM 模式 。而工作于 DCM 模式的 Boo st 变换器只有可能工作于 IISM 模式 。因此 ,可将 Boo st 变换器划分为 3 种工作模式 ,即 : ① 完全电感供能模式 ( CISM ) ; ② 不完全电感供能且连续导电模式 ( IISM CCM ) ; ③ 不完全电感供能且不连续导电模式 ( IISM DCM ) 。 2. 3 影响 Boost 变换器输出电压纹波系数的因素 (1) 输入电压的影响 首先分析输入电压的变化对输出电压纹波的影 响 。仿真设置输入电压从 5 ～ 60 V 范围内变化 , 为获 得更为精确的仿真结果 , 步长设置为 5 V 。其参数变 化如表 1 所示 ,仿真结果如图 4 所示 。
0 引 言
近年来 ,国内外学界相继提出了多种适用于中 、 大 功率应用场合的软开关技术 , 这些新型的拓扑结构绝 大多数是从基本的拓扑结构中演变而来的 。开关电源 常用的基本拓扑结构有多种 , 每种拓扑结构都有其自 身的特点和适用场合 。DC - DC 变换器的拓扑可分为 降压 型 ( Buck 型 ) 、 升 压 型 ( Boo st 型 ) 和 升 降 压 型 (Buck - Boo st 型) 三种基本类型 [ 1 ] 。 本文以 Boo st 型为例 , 在分析其拓扑结构的基础 上 ,采用 PSpice 软件对影响输出电压纹波的有关因素 进行仿真分析 ,为 Boo st 型变换器的设计和研制提供 参考依据 。
为验证所建模型的正确性 , 对建立的模型 ( 图 2 ) 进行瞬态分析 ,其结果如图 3 所示 。
图 3 Boost 变换器的输出电压波形
从图 3 可知 ,输出电压 U o 在 1 . 5 ms 左右即可达 到稳定状态 ,输出为 14 V 左右 。由于线路上的损耗和 二极管的压降 ,使输出电压值比理论分析的输出电压 值略低 。 2 . 2 Boost 变换器的工作模式与临界电感的关系 根据电感电流的最小值是否等于零 , 可将 Boo st
在理想情况下 , 考虑到 Q 1 导通饱和电压 U sat ≈ U o ,续流二极管导通电压 U D ≈ U o ,故有 :
Uσ = T U in t off ( 5)
式 ( 5 ) 表明升压型 DC2DC 变换器的输出电压 U o 与 T/ Toff 成正比 ,因为 T > Toff , 所以 U o 总是大于输入电压 U in 的值 ,即为升压型变换器 。
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
Teleco m Power Technology
May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
文章编号 : 100923664 ( 2010 ) 0320015203
研制开发
开关电源 Boost 变换器输出纹波的仿真研究
徐 琛 ,魏 哲 ,叶 亮 ( 武汉理工大学自动化学院 ,湖北 武汉 430070 ) 摘要 : 文章在分析典型 DC2DC 变换拓扑结构的基础上 , 建立了降压型 (Boo st ) DC - DC 变换器的 PSpice 仿真模型 。 在三种工作模式下 ,针对输入电压 、 电感和负载电阻对输出电压纹波都有不同程度的影响 , 对 Boo st 变换器输出纹波电压 的影响因素进行了分析 。其结论为 Boo st 型 DC - DC 变换器的设计和研制提供了理论依据 。 关键词 : Boo st 变换器 ; 拓扑结构 ; 输出纹波电压 ; Pspice 仿真 中图分类号 : TP17 ; TP391 . 9 文献标识码 : A
表1 纹波系数与输入电压参数变化表
U in / V 5 U out U out
峰值/ V
7 . 291 12 . 415 16 . 755 21 . 243 25 . 843 30 . 437 35 . 229 39 . 826 44 . 561 49 . 355 54 . 175 58 . 992
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
徐 琛 等: 开关电源 Boo st 变换器输出纹波的 仿真研究
Telecom Power Technology May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
表3 纹波系数与负载电阻参数变化表 负载 电阻 R/ Ω
10 20 30 U out U out
式中 ,U sat 为 Q 1 的饱和电压降 。 当 Q 1 截止时 ,续流二极管 VD 因加正向电压而导 通 ,存储在电感 L 上的能量通过 VD 、 RL 和 Co 回路释 放 。同理因为电感 L 的电流不能突变 , 回路中的电流 iL 从 Imax 开始线性减少 ,再经过 Toff 时间 ,Q 1 从截止重 新变为饱和导通 ,此时 iL = Imax + ΔiL- 减小到最小值 , 即 iL 在 Ton 内的正增量与在 Toff 内的负增量数值恰好 相等 。故电感电流的负增量 ΔiL- 可表示为 :
Boo st 型变换器拓扑结构如图 1 所示 [ 2 ] 。 由图 1 可知 : 当 Q 1 导通时 , 输入电压 U in , 通过电 感 L 和 Q 1 形成回路 , 而续流二极管 VD 截止 , 此时电 感 L 中的电流 iL 即为回路电流 。由于电感中的电流 不能突变 ,其两端会产生一个极性为左负右正的自感 电势 ,这时电感 L 存储能量 。iL 从最小值开始以斜率 d i U in - U sat = 线 性 增 加 , 经 过 Ton 时 间 达 到 最 大 值 dt L
ton + toff
Δ iL =
-
∫
ton
U 0 + U D - U in U 0 + U D - U in dt = T off L L ( 2)
+ Δ ∵ iL = Δ iL
∴
U in - U sat U o + U D - U in t on = t off L L
( 3)
・1 5 ・
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
纹波系 数/ %
1 . 68 1 . 29 1 . 10 0 . 97 0 . 88 0 . 82 0 . 78 0 . 73 0 . 68 0 . 65 0 . 62 0 . 59
图 2 Boost 变换器的 Pspice 仿真模型
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Teleco m Power Technology
May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
则输出电压 U o 为 :
Uo = = ton + toff ton U in U sat - U D toff toff ton T U in U sat - U D t off toff ( 4)
Analysis of Outp ut Voltage Ripple fo r Boo st Converter in Switching Mode Power Supply
XU Chen ,W EI Zhe , YE Liang ( Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430070 ,China) Abst ract : On t he basis of analysis of typical DC - DC co nversio n topological st ruct ures , a simulation model of boo st DC - DC co nverter in PSpice was built . After scanning and analyzing t he parameters of outp ut ripple voltage of boo st con2 verter. The result s shows t hat inp ut voltage , inductance and load resistance give different effect s on outp ut ripple voltage in t he t hree kinds of wo rking styles. The conclusion p rovides a certain t heoretical basis to design and build t he boo st DC - DC co nverter. Key wo rds : boo st converter ;topology st ruct ures ;o utp ut ripple voltage ; simulation model fo r Pspice.
图 1 Boost 型变换器典型拓扑结构图
Imax ,之后 Q 1 从饱和导通转入截止 。故电感电流的正
增量 ΔiL+ 可表示为 :
t on + Δ iL =
∫
0
U in - U sat U in - U sat dt = t on = Imax L L
( 1)
1 Boost 变换器拓扑结构分析
・1 6 ・
由表 1 和图 4 可知 : 输出电压纹波随着输入电压 的增大而单调减小 。而在输入电压较小时输出电压纹 波系数较大 ,这是因为输入电压较小时 ,提供给电路的 总能源较小 ,但电路功耗一定 ,故输出电压纹波系数较 大 ,但是输出电压纹波系数基本在 1 . 7 %以内 。 (2) 储能电感的影响 对储能电感在 0 . 1 ～ 300 μH 范围内变化的仿真 分析如图 5 所示 ,其参数变化如表 2 所示 。
2 建模与仿真分析
2 . 1 Boost 变换器的仿真模型构建 由图 1 可以构建 Boo st DC - DC 变换器的仿真模
型 ,如图 2 所示 [ 3 ] 。采用 N 沟道 MOS 管 IRF150 作开 关管 ,使用工作频率为 40 k Hz 、 占空比为 33 . 3 %的脉 冲源 V 2 控制 MOS 管的通断 , R2 为 MOS 管栅极限流 电阻 ,D1 采用 1 N 4148 , 忽略直流源内阻 , 其它部分与 图 1 相对应 。仿真中参数设置为 : U in 为 12 V ,L 1 取 400 μH ,C1 为 47 μF ,负载电阻为 36 Ω 。
谷值/来自百度文库V
7 . 165 12 . 221 16 . 508 20 . 953 25 . 515 30 . 066 34 . 819 39 . 387 44 . 105 48 . 865 53 . 660 58 . 460
U pp / V 0 . 126 0 . 194 0 . 247 0 . 290 0 . 328 0 . 371 0 . 410 0 . 439 0 . 456 0 . 490 0 . 515 0 . 532
变换器的工作模式分成连续导电模式 ( CCM ) 与不连 续导电模式 ( DCM ) 。其模式与临界电感 L c 的关系 为[ 4 ] : 2 2 RL D ( 1 - D) RL U i ( U o - U i ) ( 6) Lc = = 3 2f 2 f Uo 根据电感电流的最小值与输出电流的比较 , 可将 其分成完全电感供能模式 ( CISM ) 和不完全电感供能 模式 ( IISM) 。而 CISM 与 IISM 的临界电感 L k 为[ 4 ] : 2 2 RL ( 1 - D) RL U i ( 7) Lk = = 2 2f 2 f Uo 式中 , f 为开关频率 ; D 为开关的导通比 ; RL 为负载电 (7) 可 阻 ;Ui 、 U o 分别为输入和输出电压 。由式 ( 6 ) 、 知 ,由于 D < 1 ,因此 L k > L c 。所以 ,工作于 CCM 模式 的 Boo st 变换器既有可能工作于 CISM 模式 , 也有可 能工作于 IISM 模式 。而工作于 DCM 模式的 Boo st 变换器只有可能工作于 IISM 模式 。因此 ,可将 Boo st 变换器划分为 3 种工作模式 ,即 : ① 完全电感供能模式 ( CISM ) ; ② 不完全电感供能且连续导电模式 ( IISM CCM ) ; ③ 不完全电感供能且不连续导电模式 ( IISM DCM ) 。 2. 3 影响 Boost 变换器输出电压纹波系数的因素 (1) 输入电压的影响 首先分析输入电压的变化对输出电压纹波的影 响 。仿真设置输入电压从 5 ～ 60 V 范围内变化 , 为获 得更为精确的仿真结果 , 步长设置为 5 V 。其参数变 化如表 1 所示 ,仿真结果如图 4 所示 。
0 引 言
近年来 ,国内外学界相继提出了多种适用于中 、 大 功率应用场合的软开关技术 , 这些新型的拓扑结构绝 大多数是从基本的拓扑结构中演变而来的 。开关电源 常用的基本拓扑结构有多种 , 每种拓扑结构都有其自 身的特点和适用场合 。DC - DC 变换器的拓扑可分为 降压 型 ( Buck 型 ) 、 升 压 型 ( Boo st 型 ) 和 升 降 压 型 (Buck - Boo st 型) 三种基本类型 [ 1 ] 。 本文以 Boo st 型为例 , 在分析其拓扑结构的基础 上 ,采用 PSpice 软件对影响输出电压纹波的有关因素 进行仿真分析 ,为 Boo st 型变换器的设计和研制提供 参考依据 。
为验证所建模型的正确性 , 对建立的模型 ( 图 2 ) 进行瞬态分析 ,其结果如图 3 所示 。
图 3 Boost 变换器的输出电压波形
从图 3 可知 ,输出电压 U o 在 1 . 5 ms 左右即可达 到稳定状态 ,输出为 14 V 左右 。由于线路上的损耗和 二极管的压降 ,使输出电压值比理论分析的输出电压 值略低 。 2 . 2 Boost 变换器的工作模式与临界电感的关系 根据电感电流的最小值是否等于零 , 可将 Boo st
在理想情况下 , 考虑到 Q 1 导通饱和电压 U sat ≈ U o ,续流二极管导通电压 U D ≈ U o ,故有 :
Uσ = T U in t off ( 5)
式 ( 5 ) 表明升压型 DC2DC 变换器的输出电压 U o 与 T/ Toff 成正比 ,因为 T > Toff , 所以 U o 总是大于输入电压 U in 的值 ,即为升压型变换器 。
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
Teleco m Power Technology
May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
文章编号 : 100923664 ( 2010 ) 0320015203
研制开发
开关电源 Boost 变换器输出纹波的仿真研究
徐 琛 ,魏 哲 ,叶 亮 ( 武汉理工大学自动化学院 ,湖北 武汉 430070 ) 摘要 : 文章在分析典型 DC2DC 变换拓扑结构的基础上 , 建立了降压型 (Boo st ) DC - DC 变换器的 PSpice 仿真模型 。 在三种工作模式下 ,针对输入电压 、 电感和负载电阻对输出电压纹波都有不同程度的影响 , 对 Boo st 变换器输出纹波电压 的影响因素进行了分析 。其结论为 Boo st 型 DC - DC 变换器的设计和研制提供了理论依据 。 关键词 : Boo st 变换器 ; 拓扑结构 ; 输出纹波电压 ; Pspice 仿真 中图分类号 : TP17 ; TP391 . 9 文献标识码 : A
表1 纹波系数与输入电压参数变化表
U in / V 5 U out U out
峰值/ V
7 . 291 12 . 415 16 . 755 21 . 243 25 . 843 30 . 437 35 . 229 39 . 826 44 . 561 49 . 355 54 . 175 58 . 992
2010 年 5 月 25 日第 27 卷第 3 期
徐 琛 等: 开关电源 Boo st 变换器输出纹波的 仿真研究
Telecom Power Technology May 25 , 2010 , Vol. 27 No . 3
表3 纹波系数与负载电阻参数变化表 负载 电阻 R/ Ω
10 20 30 U out U out