年 月 日第 卷第 期 ２０１３ ９ ２５ ３０ ５
ＴｅｌｅｃｏｍＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｅｐ．２５２０１３ Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．５
， ，
文章编号： （ ） １００９－３６６４２０１３０５－００１３－０３
国 伟１，王立华２
研制开发
基于ＰＳＩＭ 的开关电源仿真设计
（１．山东信息职业技术学院，山东 潍坊２６１０６１；２．山东科技大学 信息学院，山东 青岛２６６５９０）
摘要：开关 源由于效率高、体 小、重量 等特点，广泛 用于工 生 、生活等 域。目前，仿真 在功率 器的 程中起着非常重要的作用，它可以大大 省 成本和提高 效率，而ＰＳＩＭ 仿真 件 力 子 路的分析和 提供了 有力的仿真 境。文章 用最 典型的 端 出式 流控制型ＰＷＭ 控制与 芯片ＵＣ３８４２一种反激式开关 源 路，并采用ＰＳＩＭ 件 行了仿真。
关键词：开关 源；ＰＳＩＭ；ＰＷＭ；ＵＣ３８４２ 中图分类号：ＴＮ８６
文献标识码：Ａ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＳｗｉｔｃｈｉｎｇＭｏｄｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢａｓｅｄｏｎＰＳＩＭ
ＧＵＯＷｅｉ１ ＷＡＮＧＬｉ－ｈｕａ２
，（
１．ＳｈａｎｄｏｎｇＣｏｌ
，
，
）
，
，
，
ｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｅｉｆａｎｇ２６１０６１，Ｃｈｉｎａ；
，
：
，
，
，
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩＳＥＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＱｉｎｇｄａｏ２６６５９０Ｃｈｉｎａ
ＡｂｓｔｒａｃｔＳｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｆｅａｎｄｏｔｈｅｒｆｉｅｌｄｓｄｕｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃ
ｙｓｍａｌｖｏｌｕｍｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｅｔｃ．Ｎｏｗｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎ－ｖｅｒｔｅｒｄｅｓｉｇｎｉｔｃａｎｓａｖｅｃｏｓｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇｒｅａｔｌｙＰＳＩＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｓａｐｏｗｅｒｆｕｌｓｉｍ－ｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｉｒｃｕｉｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓＵＣ３８４２－－ｔｈｅｍｏｓｔｔｙｐｉｃａｌｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｅｄｏｕｔｐｕｔｍｏｄｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｒｉｖｅｃｈｉｐｔｏｄｅｓｉｇｎａｆｌｙｂａｃｋｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｓｄｅｓｉｇｎｂｙＰＳＩＭ．
，
，
ＫｅｙｗｏｒｄｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒＰＳＩＭＰＷＭＵＣ３８４２
：；；；
０ 引
言
主要功能是驱动 ＭＯＳＦＥＴ 管为变压器线圈提供脉冲；（２）直流输出电路。下面结合电路图对这三部分进行介绍。
开关电源由于效率高、体积小、重量轻等特点，广泛应用于工业生产、生活等领域。由于开关电源工作时，会产生
１．１ 启动电路
强电磁干扰和噪声，若不采取一定的措施进行抑 制、消除和屏蔽，就会严重地影响到整机正常工作，因此选择合适的元件和合理的设计是必不可少的。目前，软 件仿真在功率变换器的设计、分析中起着至关重要的作 用，它可以大大节省设计成本，提高设计效率，而ＰＳＩＭ 仿真软件具有速度高、用户界面好、能进行波形解析等 优点，可为开关电源电路的分析和设计提供强有力的仿真环境。本文设计了一种反激式开关电源电路，采用
开关电源的启动电路由电阻 Ｒ０、Ｒ１，电容Ｃ１和二极管桥ＢＤ１组成。其工作过程为交流输入电压经电阻Ｒ０、二极管桥ＢＤ１和电容 Ｃ１输出较高的直流电压，此直流电压经电阻 Ｒ１ 给 ＵＣ３８４２提供启动电压。当电压达到１６Ｖ时，芯片启动，ＵＣ３８４２开始工作并提供驱动脉冲。
１．２ ＰＷＭ 控制与驱动电路
ＰＳＩＭ 软件对该开关电源进行仿真验证。
Ｃ９二极管 Ｄ１ ～Ｄ４ＭＯＳ管 Ｍ１高频开关变压器
Ｔ１和 ＵＣ３８４２组成。其工作过程：电路启动完成后，Ｒ１ 的任务就完成了，由变压器 Ｔ１的第二初级线圈Ｎｐ＿２经 Ｄ３ 与 Ｄ４ 整流后供电给 ＵＣ３８４２。变压器的第二初级 Ｎｐ＿２ 不仅给芯片供电，还起到电压反馈的作用，其输出经Ｄ３ 与Ｄ４ 整流和电容滤波后的电压正比于输出电压，故经 Ｒ５ 和 Ｒ６ 分压后送给芯片 ＵＣ３８４２的２脚作为电压反馈信号，而２脚是误差放大器的反相输入端；ＵＣ３８４２的１脚和２脚之间连接 Ｒ７ 和 Ｃ７起到改善误差放大器性能的增益和频率特性；电阻Ｒ８跨接在参考电压输出端８脚和４脚上，电容Ｃ８ 一端接４脚，一端接地，这是振荡电路外部固定的接法，电阻
，
ＰＷＭ 控制与驱动电路由电阻 Ｒ２ ～Ｒ１０电容 Ｃ２～
，
，，
１ 电路设计
如图１ 所示为开关电源的电路原理图。图中ＰＷＭ 驱动选用最为典型的单端输出式电流控制型芯片 ＵＣ３８４２
，
开关电源的输出为＋５Ｖ＋１２Ｖ 和－１２Ｖ
该电路可分为三部分：（１）启动电路，主要为 ＵＣ３８４２ 提供启动电压；（２）ＰＷＭ 驱动电路，由 ＵＣ３８４２组成，
收稿日期２０１３－０４－０７
作者简介：国 （１９７２－），女，山 昌邑市人， ， 士，主要从事 算机 用及教学研究。
，。
：
·
１３
·
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ＴｅｌｅｃｏｍＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｅｐ．２５２０１３ Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．５
， ，
图１
由ＵＣ３８４２构成的开关电源电路
Ｒ８ 和电容 Ｃ８ 决定振荡器的工作频率，也就决定了ＵＣ３８４２输出的ＰＷＭ 信号的频率，可以计算图１中电路的工作频率约为８０ｋＨｚ；经过 Ｒ１０上的电流和流过变压器第一初级Ｎｐ＿１的电流及开关管 Ｍ１ 的电流相同，因此Ｒ１０为电流取样电阻，其电压经Ｒ９ 和Ｃ９ 低通滤波后送到 ＵＣ３８４２的电流检测比较器的输入端３脚；从 第 二 初 级 Ｎｐ＿２ 得 到 的 电 压 反 馈 信 号 送 入ＵＣ３８４２内部误差放大器的反向输入端２脚，误差放大器同向输入端在芯片得到的基准电压信号，经误差放大器后得误差放大信号Ｕｅ，而Ｕｅ 送到 ＵＣ３８４２内部电流检测比较器的输入端，电流检测比较器的另一端就是３脚，３脚接电流反馈信号，这就构成了双闭环系统；芯片的驱动能力较强，６脚输出的ＰＷＭ 信号直接驱动场效应管 Ｍ１。
容组成的纹波消除电路，以吸收二极管在由导通到截止或由截止到导通的转换过程中因存在着一定的恢复时间而引 起的纹波噪声。
１．４ 功率开关变压器的设计
依据 ＵＣ３８４２ 应用方式，选定定时电阻 ＲＴ ＝
１０ｋΩ定时电容 ＣＴ ＝０．００２２ Ｆ确定开关频率 ｆ＝
，
。
７８ｋＨｚ
，周期
Ｔ＝１３μｓ
。
μ
设计单端控制开关电源时，一般占空比Ｄ 最大不
超过 ，这里选择 ，则：
０．５ Ｄ＝０．５
（） ＴＯＮ ＝Ｔ×Ｄ ＝６．５ｓ 根据电源规格、输出功率、开关频率选择 ／ ，
１
μ２５磁芯磁芯截面积Ｓ＝１．１３ｃｍ
２
，磁路有效长度Ｌ＝
ＰＱ２６
６．４ｃｍ
，饱和磁通密度
ＢＳ＝０．４Ｔ
。取变压器最大工
二极管 Ｄ１、电阻 Ｒ２、电容 Ｃ２ 和二极管 Ｄ２、电阻Ｒ
３、电容Ｃ３ 组成两个消振衰减电路。第一个消振衰减电路主
作磁感应强度
／
Ｂｍａｘ＝ＢＳ ３≈０．１３３Ｔ
，则电感系数
Ａ
为：
／
＿
＿
（ ／２）
Ａ＝０．４πμｓ≈４．４４
μＨＮ
（）
２
要用来消除功率开关变压器的漏磁而引起的上冲峰值电压，第二个消振衰减电路主要用来消除功率开关的电压、电流应力而引起的上冲峰值电压。引进上述消振衰减电路后，功率开关管 Ｍ１ 输出电压波形中的正向和负向峰值较高的上冲脉冲电压信号基本上被消除和衰减掉了，使 Ｍ１ 的工作安全性和可靠性得到了极大的改善和提高，使开关稳压电源的电磁兼容性也得到了极大的改善和提高。
变压器初级线圈
Ｎｐ１ （
匝数为：
）
式中，ＵＩ 为最小直流输入电压。
Ｎｐ１ ＝ ＵＩＴＯＮ
）／（
ＢＭＡＸＳ
（） ３
交流输入电压的最小值约为２００ＶＵＩ＝２００× ２ （Ｖ）≈２８３（Ｖ），得出 Ｎｐ＿１＝１２２匝，取 １２５匝。初级级线
２
圈Ｎｐ＿１电感Ｌｐ＿１＝ＡＮｐ＿１＝７０ｍＨ。
次级线圈 Ｎｓ＿１匝数为：
，
１．３ 直流输出电路
Ｎｓ＿１ ＝ ＿
１
（
ｐ
Ｕ０１＋ＵＤＦ
）
（４）ＵＤ
Ｉ
ｍ
直流输出电路由 ＲＣ１ ～ＲＣ３Ｄ５ ～Ｄ７Ｃ１０ ～Ｃ１３
，，，
Ｌ１ 和Ｔ１组成。其工作过程为：在功率开关导通期间二极管不导通，在功率开关截止期间二极管导通，各次级线圈输出电压经二极管整流和电容滤波后向外输出稳定的电压。每个二极管两端都并联一个由电阻和电
ａｘ
式中：ＵＤＦ为整流二极管上的压降。
取ＵＤＦ＝０．７Ｖ，代入式（４）得 Ｎｓ＿１ ＝５匝。次级线圈
Ｎｓ＿１的电感为：
＿＿
２
（）
·
１４
·
同理可得次级线圈Ｎｓ＿２匝数为１２匝，线圈电感为
Ｌｓ１ ＝ Ｎｓ１Ａ＝１１１μＨ
５
年 月 日第 卷第 期
２０１３ ９ ２５ ３０ ５
国 伟，等： 基于ＰＳＩＭ 的开关
电源仿真设计
ＴｅｌｅｃｏｍＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｅｐ．２
５２０１３ Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．５
， ，
６３９μＨ；次级线圈 Ｎｓ＿３ 匝数为 １２ 匝，线圈电感为
Ｕｏ５Ｕｏ１２Ｕｏｎ１２波形图Ｕｏ５Ｕｏ１２Ｕｏｎ１２波形图
、
、、
、、
。 。
６３９μＨ
开关管断开时，Ｎｐ＿１两端将会产生感应电动势，为了保证开关管正常工作，将感应电动势限制到ｅ＝３００Ｖ。反馈线圈 Ｎｐ＿２向 ＵＣ３８４２提供Ｕ＝１２Ｖ的工作电压，按电容上的电压ＵＣ＝１６Ｖ计算，以保证有足够的供电电压给 ＵＣ３８４２。由 Ｎｐ＿２＝（ＵＣ／ｅ）Ｎｐ＿１可得Ｎｐ＿２＝７匝。
。
图６所示为输入电压为２４０Ｖ 时的直流输出电压
２ 电路仿真及结果分析
在仿真前，先对仿真波形中出现的电压符号做一下简
要说明。
Ｕｉｎ：工频电压经整流、滤波后的电压。 ＵＲ１：启动电路中电阻Ｒ１两端的电压。 ＵＣＣＵＣ３８４２的输入电压
：。
。
图３ ＵｕｃｏｕｔＵＮｐ＿１ＵＮｐ＿２ＩＳＥＮＳＥＵｕｆｂ电压波形图
、、、
ＵｕｃｏｕｔＵＣ３８４２的输出电压
ＵＮｐ＿１：变压器初级线圈 Ｎｐ＿１的电压。 ＵＮｐ＿２：变压器初级线圈 Ｎｐ＿２的电压。 ＩＳＥＮＳＥＵＣ３８４２电流检测比较端的输入电压Ｕｕｆｂ：ＵＣ３８４２误差放大器输入端的输入电压。 ＵＯ５：变压器次级线圈 Ｎｓ＿１的输出电压。 ＵＯｎ１２：变压器次级线圈 Ｎｓ＿２的输出电压。 ＵＯ１２：变压器次级线圈 Ｎｓ＿３的输出电压。
首先以交流２２０Ｖ输入电压为例对电路的启动过程进行仿真分析。如图２所示为电压Ｕｉｎ、ＵＲ１、ＵＣＣ的波形图。分析可知，启动时电网电压通过电阻 Ｒ１ 给ＵＣ３８４２供电，之后电阻 Ｒ１ 失去作用。同时，可以看出 ＵＣ３８４２的输入电压ＵＣＣ维持在１３Ｖ以上，可以保证 ＵＣ３８４２正常工作。
：
：。
图４ ２００Ｖ时的直流输出电压ＵＯ５Ｕ０１２Ｕｏｎ１２波形图
、、
图５ ２２０Ｖ时的直流输出电压ＵＯ５Ｕ０１２Ｕｏｎ１２波形图
、、
图２ ＵｉｎＵＲ１ＵＣＣ电压波形图
、、
图 所示为电压 的 、＿ 、＿ 、 、 ３ Ｕ ＵＵＩＵ
脚输出 波形图。分析此图可知， 启动后，从 ６ ＵＣ３８４２
管工作在导通 截止与截止 ８０ｋＨｚ 的驱动脉冲， ＭＯＳ － －
ｕｃｏｕｔ
Ｎｐ１
Ｎｐ２
ＳＥＮＳＥ
ｕｆｂ
０１２
ｏｎ１２
图 时的直流输出电压 、 ６ ２４０Ｖ ＵＯ５ 、Ｕ Ｕ
波形图
导通状态，与此同时，变压器开始工作产生感应电压，
ＵＣ３８４２的２脚和３脚也将有反馈电压输入。
下面将对开关电源电路在不同输入电压下的直流 输出电压
ＵＯ５
由图 、图 与图 可知，在不同的输入电压下，
６ ５ ４
的变化不大，同时各电压都保持在 、 、 、
Ｕ０１２ Ｕｏｎ１２
５Ｖ
Ｕｏ５ Ｕｏ１２ Ｕｏｎ１２
、 、
进行仿真分析。
图 ４所示为输入电压为 ２００Ｖ
Ｕｏ５ Ｕｏ１２
、
、
Ｕｏｎ１２
波形图。
１２Ｖ与－１２Ｖ左右，因此可以看出此开关电源工作良
好，满足设计要求。下面以数据的形式作进一步说明。
时的直流输出电压
（下转第４１页）
图 ５所示为输入电压为 ２２０Ｖ
时的直流输出电压
·
·
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陈 军： 大功率ＩＧＢＴ驱动
模块 及其运用
２ＰＤ３１５
ＴｅｌｅｃｏｍＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｅｐ．２
５２０１３ Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．５
， ，
图５ ２ＰＤ３１５典型应用电路（直接模式）
作，低电平时停止。而２ＰＤ３１５驱动模块的引脚ｉｎＢ
必须接地。
（２）死区设置２ＰＤ３１５和２ＳＤ３１５驱动模块的死区时间均通过
引脚ＲＣ１、ＲＣ２设置。２ＰＤ３１５不论在直接工作模式还是半桥工作模式下，都可以通过在引脚 ＲＣ１、ＲＣ２与地间并
间，直接工作模式时，引脚ＲＣ１、ＲＣ２必须接地。
参考文献： ［］
１ ＣＯＮＣＥＰＴ 公司．双路ＣＳＡＬＥ 技术ＩＧＢＴ 和 ＭＯＳＦＥＴ
—［］
驱动器
２ＳＤ３１５ＡＺ．２００６．
［２］ 云南领跑科技．２ＰＤ３１５大功率ＩＧＢＴ智能驱动模块使用 手册Ｚ．２０１２．
［３］ 王兴媛，汪殿龙．２ＳＤ３１５在驱动大功率ＩＧＢＴ 中的运用
［］
联电容器调整死区时间，且引脚 ＲＣ１、ＲＣ２
不论在什么工作模式下，可以悬空，但一定不能接地。
２ＳＤ３１５驱动模块只有在半桥模式下才能设置死区时
（上接第１５页）
如表１所示为在不同的输入电压下直流输出电压ＵＯ５
［］
Ｊ．电子产品世界２００７１０２３－２４．
，，：
、
Ｕｏ１２Ｕｏｎ１２的均方根值由数据表知在不同的输入电压下，输出电压的浮动范围非常小，进一步验证了该开关电源的稳定性和可靠性。
表１ 不同的输入电压下直流输出电压Ｕｏ５、
、
Ｕｏ１２Ｕｏｎ１２的均方根值 ／
Ｕｏ１２ Ｖ
、。，
的多个参数的仿真结果来看，达到了设计的要求。
参考文献：
［１］ 王立华．ＵＣ３８４ｘ系列构成的 ＰＷＭ 式开关电源的电路
Ｕｏ５ Ｖ
／
Ｕｏｎ１２ Ｖ
／
分析与维修［Ｊ］．通信电源技术，２００５，（６）：３６－３９．
［２］ 于 鹏．ＵＣ３８４２的一种仿真方法［Ｊ］．长春师范学院学
报（自然科学版），２００９，（５）：４３－４７．
［３］ 程海龙．基于 ＵＣ３８４２的电源变换器设计［Ｊ］．电源技术，
，（）：
２０１１３５６７２０－７２２．
［４］ 皇金锋．基于ＰＳＩＭ 的Ｂｏｏｓｔ型变换器储能元件参数选择 Ｊ．电源技术２０１１３５９１１３６－１１３９． ［５］ 华建军．基于ＰＳＩＭ 断续导通模式的 ＤＣ－ＤＣ变换器的建
模与仿真研究［Ｊ］．电机与控制学报，２００７，（５）：５２２－５２８．［６］ 洪 武．ＰＳＩＭ 在电力电子技术教学中的应用［Ｊ］．实验科
２００Ｖ ２２０Ｖ ２４０Ｖ
４．８８８２ ４．８８８８ ４．８８９３
１２．６９７２ １２．６９９４ １２．７０２０
－１２．６９７２ －１２．６９９４ －１２．７０２０
［］，，（）：
３ 结 论
本文采用电力电子仿真软件ＰＳＩＭ 对由单端输出式电流控制型ＰＷＭ 驱动芯片 ＵＣ３８４２构成的一种反激式开关电源进行了仿真分析和设计，通过对开关电源的启动电路、ＰＷＭ 控制与驱动电路、直流输出电路
学与技术２００９７０１
，，（）：
３７－３９．
［７］ 张 波，曹丰文．基于 ＵＣ３８４２集成控制器的电流模式开关电源
设计［Ｊ］．电工电气，２０１０，（９）：２５－２７．
·
· ４１