1、2006 届毕业设计开题报告题 目 基于 multisim 开关电源的仿真设计 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 周 大 伟 班 级 0 2 电 三 指导教师 许 泽 刚 起止日期 06.3.19-06.3.2 2006 年 03 月 31 日KC017-1目 录1. 课题简介.32. 课题的来源与现状.32.1 课题的来源 .32.2 课题的现状.33. 设计要求及工作内容.43.1 设计要求.43.2 工作内容.44. 设计方案及技术路线.54.1 BUCK 变换器设计.54.2 Multisim 仿真的优点.95. 预期目标.96.设计进度安排.107. 参考文献 .108. 时间安排
2、表 .129. 指导教师意见.1310.系部意见.131. 课题简介本课题仅对最基本的 PWM 变换器主电路拓扑之一的 Buck 变换器进行研究，通过设计来实现对开关电源知识和设计程序的基本了解。目前开关电源的设计有两种途径，最常用的是模块化设计方法。BUCK变换器构成一大类开关电源拓扑其电路的结构特点是功率管之后或变压器二次侧输出整流器之后紧跟 LC 滤波器。 本设计采用 Multisim 仿真软件进行仿真设计。 2. 课题的来源及现状2.1 课题来源本课题来源于科研，随着电力电子技术的发展，开关电源的研发越来越被人们重视，在技术方面也有了更为深入的发展，这就要求我们及时、准确地把握开关电源
3、的相关知识和发展动向。 2.2 课题现状开关电源(Switched mode power supplies, SMPS)由于在体积、重量和效率等多方面的优势，已经被越来越广泛地应用于计算机、通信和家用电器等领域。电视、机顶盒和录像机等家电设备大都在使用这种电源，用于手机、PDA 甚至电动牙刷的许多电池充电器也在使用开关电源，因为它们具备传统线性电源所没有的优势，它已成为当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。随着许多电器具尺寸不断减小，供电电源所占尺寸变得小得多，人们在降低开关电源的体积重量方面做了不少工作。发展小型化轻型电源，对便携式电子设备（如移动电话等）尤为重要。开关电源技术是一
4、门运用半导体功率器件实现电能的高效率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。开关电源技术设计涉及到半导体功率器件应用技术，电子技术，自动控制理论，热分析与设计等。经过多年的发展，开关电源技术已经取得了很大成功，其应用也十分普遍和广泛。但因其结构复杂，涉及元器件众多，以及要降低成本，提高可靠性，仍存在一些问题需要解决。例如：电源的设计和生产需要较高的技术支持，电路的调试要有实际经验，而且有一定难度。对于第一个问题，由于目前各种开关电源虽然形式多样，结构各异，但其大都源于几种基本的 DC-DC 变换
5、器拓扑结构，开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。或者是这些基本电路组合，因此可以对几种基本DC-DC 变换器进行分析，从而 进行开关电源设计。3.设计要求及工作内容3.1 设计要求所设计的 BUCK 变换器输入直流电压 10 伏，输出 5 伏，开关频率100kHz,电流 10 安培。设计主电路及闭环控制电路，并用 Multisim 仿真软件进行仿真。用 Multisim 仿真可以尽早发现硬件设计中的问题，也就可以尽快解决。减少投资，加快开发速度，大大减少了设计所需的时间。3.2 工作内容（1） 了解 Buck 变换器的设计方
6、法；（2） 熟悉 Multisim 仿真软件； （3） 进行方案比较，确定简便、可行的方案。（4） 绘制 BUCK 主电路和控制电路，并完成闭环参数的设计；（5） 采用参数扫描法设计滤波电感； （6） 采用 Multisim 仿真软件进行仿真设计；（7） 撰写毕业论文，准备答辩；4.设计方案及其技术路线4.1BUCK 变换器设计此设计分为 BUCK 主电路和闭环控制电路两部分的设计，且采用Multisim 仿真软件进行仿真设计。本开关电源设计采用 Buck（降压）电路，Buck 变换器是最基本的 PWM 变换器主电路拓扑之一。图 1 是BUCK 变换器电路。图 1 降压（Buck）变换器电路主
7、要的设计步骤为：主电路选型（Buck 电路） ， “黑箱”计算，输出滤波电路设计（滤波电感设计和滤波电容的确定） ，开关器件及二极管的设计,控制电路的设计等等。具体设计路线如下：1.技术指标输入电压：DC +10V输出电压：DC +5V最大输出电流：10A输出电压纹波峰峰值：+30mV输出精度：1%2.“黑箱”预先估计输出功率：5V*10A=50W(max)输入功率：P /N = 50W/0.90 = 55.56Woutest功率开关损耗：（55.56W-50W）*0.5 = 2.78W续流二极管损耗：（55.56W-50W）*0.5 = 2.78W3.输入平均电流输入平均电流：55.56W/
8、10V =5.56A估计峰值电流： 10A*（100%+10%） = 11A4.滤波电感的设计(参数扫描法)设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频率，并应首先选定允许的电感电流最大纹波值。然后计算设计工作电感：L=(V -V )(1- V /V )/(1.1I f )inoutoutinoutsw=(10V-5V)(1-5/10)/(1.1*2.0A*100KHZ)=11.4 uHV -输入电压最大值；inV -输出电压；outI -最小负载电流;tf -工作频率。sw并用参数扫描法进行验证。5.选择功率开关和续流二极管功率开关：功率开关选用 P 沟道的 MOSFET。输入电压 10V，
9、峰值电流为 11A，为了使损耗小于 2.78W，可以估算 R 的值：DSR = 2.78W/(11A ) 0.127(最大)DS2续流二极管：为了减小导通损耗和开关损耗，续流二极管要选用肖特基二极管。6.输出电容输出电容由下式决定：C = out )_(min1prileswoutVfDCI=10A*(1-5V/10V)/(100KHZ*30mV)=1667uF故选取 4 个 470 uF 并联。对输出和输入滤波电容主要关心的是流过这些电容的纹波电流。在这种情况下纹波电流与电感上电流的交流分量是相同的。 7.闭环控制电路设计控制电路设计的目标是使开关电源在各种工作情况下均能稳定工作，并且达到相
10、应的动态性能，因此控制电路设计工作的核心是电压反馈控制系统的设计。PWM 控制电路的作用是将在一定范围内连续变化的控制量模拟信号转换为 PWM 信号，该信号的开关频率固定。电路结构框图为：图 2 控制电路结构框图（1）基准源用于提供高稳定度的基准电压，作为电路中的给定基准。（2）振荡器产生固定频率的时钟信号，以控制开关频率。（3）误差电压放大器（EA）实际上就是一个运算放大器，用来构成电压调节器。（4）PWM 比较器将调节器输出信号 转换成 PWM 脉冲的占空比，CU采用振荡器产生的锯齿波同 比较的方式。C（5）驱动电路用来提供足够的驱动功率，以便有效的驱动主电路的开关器件。8.电压检测电阻分
11、压网络（R 和 R ）34R （下端的电阻）4R =2.5V/1.0mA=2.49K 欧姆（1%）4故选取 R 不小于 2.49k 欧姆，取 R =3K 欧姆。4R （上端的电阻）3R =（5V-2.5V ）/1.0mA=2.49k 欧姆（1%）3故选取 R 不小于 2.49k 欧姆，取 R =3K ohm。4 3基准源振荡器隔离 驱动PWM 比较器CU误差电压放大器4.2 Multisim 仿真优点本课题基于 Multisim 仿真软件设计完成，采用 Multisim 仿真软件进行仿真。从上个世纪八十年代开始，随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大变革 PSpice,E
12、WB 等一大批各具特色的优秀电子设计自动化（EDA）软件的出现改变了以定量估算和电路实验为基础的电路设计方法。Multisim 为 EWB 的电子仿真设计模块，也是 EWB 模块中最具特色的模块。2001 年 IIT 公司推出了 Multisim 的最新版本 Multisim 2001，它对以前的版本有了许多改进，具备更大的优点：1）重新验证了元件库中所有元件的信息和模型，使其更加精确和可靠。2）允许客户自定义元器件的属性。3）提高数字电路仿真的速度。4）允许把子电路当作一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模。5）根据电路图形大小程序能自动调整电路窗口尺寸，不再需要人为设置。6）开设了 Ed
13、aPARTS.com 网站，为用户提供元器件模型的扩充和技术支持。本课题设计过程基于开关电源变换器模块化设计思想，是一种开关电源设计的基本思路，对于其它类型的 PWM 变换器的设计，具有很大的参考、借鉴意义。5.预期目标本课题探讨基于 Multisim 的 Buck 变换器的设计方法，一方面由于Buck 变换器是最基本的 PWM 变换器主电路拓扑之一，另一方面其设计基本思路对于其它类型的 PWM 变换器设计具有参考、借鉴意义。计算机仿真技术作为 CAD 自动化的一个有效工具，已广泛应用到电力电子电路（或系统）的分析研究中。采用仿真技术，可以降低设计费用和缩短研发周期，并改进电力电子电路的可靠性
14、。本课题结合 Multisim 仿真软件，探讨闭环 Buck 变换器的设计方法。6.设计进度安排第一周： 查找相关资料，拟订进程。第二周： 完成开题报告。第三周： 完成方案比较，确定设计方案。第四十一周：根据设计方案，进行设计（包括仿真） 。第十二周： 准备毕业设计论文的草稿。第十三周： 将所有材料打印，装定。第十四周： 准备毕业设计答辩。7.参考文献：1郑步生：Multisim200 电路设计及仿真入门与应用 ，电子工业版社2 Multisim User Guide, Interactive Image Technology Ltd.Canada3赵世强等：电子电路 EDA 技术,西安电子科技大学出版社4徐德鸿译：开关电源设计指南 ，机械工业出版社
