基于multisim开关电源的仿真设计.docx
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基于multisim开关电源的仿真设计
KC017-1
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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
02电三
指导教师
许泽刚
起止日期
06319-0632
2006年03月31日
1.课题简介3
2.课题的来源与现状3
2.1课题的来源3
2.2课题的现状3
3.设计要求及工作内容4
3.1设计要求4
3.2工作内容4
4.设计方案及技术路线5
4.1BUCK变换器设计5
4.2Multisim仿真的优点9
5.预期目标9
6.设计进度安排10
7.参考文献10
8.时间安排表12
9.指导教师意见13
10.系部意见13
1.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的相关知识和发展动向。
2.2课题现状
开关电源（Switchedmodepowersupplies,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：
Pout/Nest=50W/0.90=55.56W
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=2.78W
3•输入平均电流
输入平均电流：
55.56W/10V=5.56A
估计峰值电流：
10A*（100%+10%）=11A
4•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=（Vin-Vout）（1-Vout/Vin）/（1.1Ioutfsw）
=（10V-5V）（1-5/10）/（1.1*2.0A*100KHZ）
=11.4uH
Vin—输入电压最大值;
Vout---输出电压；lout---最小负载电流；fsw---工作频率。
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，峰值电流为11A，为了使损耗小于2.78W,可以估算Rds的值：
Rds=2.78W/（11A2）<0.127（最大）
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:
Iout（1DC（min））
out
fswVripple（p_p）
=10A*（1-5V/10V”（100KHZ*30mV）=1667uF
故选取4个470uF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Uc转换成PWM脉冲的占空比，采用振荡器产生的锯齿波同Uc比较的方式。
（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•电压检测电阻分压网络（R3和R4）
R4（下端的电阻）
R4=2.5V/1.0mA=2.49K欧姆（1%）
故选取R4不小于2.49k欧姆，取R4=3K欧姆。
R3（上端的电阻）
R3=（5V-2.5V）/1.0mA=2.49k欧姆（1%）故选取R4不小于2.49k欧姆，取R3=3Kohm。
4.2Multisim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,EWB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Multisim2001，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EdaPARTS.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。
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：
兀成开题报告。
第三周：
完成方案比较，确定设计方案。
第四~十
'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.《MultisimUserGuide»,InteractiveImageTechnologyLtd.Canada
3.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
5.耿文学译：
《开关电源手册》，机械工业出版社
6.杨旭等：
《开关电源技术》，机械工业出版社
7.张占松蔡宣三：
《开关电源的原理与设计》，电子工业出版社
8沙占友等：
《新型开关电源的设计与应用》，电子工业出版社
9,张立：
《现代电力电子技术基础》，高等教育出版社
10,胡寿松：
《自动控制原理》，科学出版社
11,诸静等：
《控制理论十年与发展》，浙江大学出版社
12,PowerSupplyControlProducts（PS）DataBook,UnitrodefromTexasInstruments2000
13,AnunciadaV,SilvaMNewConstant-FrequencyCurrentModeControlforPowerConverters,StableforallvaluesofDutyRatio,andUsableinAllFourQuadrants」EEETransactiononIndustrialElectronics,1990,37（4）：
40~45
8.时间安排表
附时间安排表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
理论研究
V
硬件设计
V
V
软件设计
V
V
V
模型仿真
V
V
结果分析
V
V
参数确定
V
安装调试
V
V
测试分析
V
V
V
V
论文准备
V
V
V
V
V
论文答辩
V
指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计结果的预测）
指导教师：
年月日
系部意见:
系主任：
年月日
此报告应在导师
注：
开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一,的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。
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