理想二次電源設(shè)計(jì)方法

1背景

70年代中期以來(lái)，無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源技術(shù)風(fēng)靡歐、美、日等世界各國(guó)。特別是90年代以來(lái)，通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。最初的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率在20kHz左右，略高于最高音頻，不會(huì)給人們帶來(lái)討厭的噪聲。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高頻化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信電源領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流/直流（DC/DC）變換器稱為二次電源。

在傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中，從用戶需求的提出到實(shí)際電路的設(shè)計(jì)定型要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。為了解決傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，美國(guó)（MICROSIM）公司和國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）合作開(kāi)發(fā)了一套新穎的網(wǎng)上電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Websim），為我們提供了一個(gè)比較理想的二次電源設(shè)計(jì)方法。

2傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法與基于Internet電源設(shè)計(jì)方法的比較

2.1通信用高頻開(kāi)關(guān)電源

通信電源是將市電提供的單相或三相交流電壓變換成標(biāo)稱值為24V至48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源已被高頻開(kāi)關(guān)電源取代。高頻開(kāi)關(guān)電源（也稱為開(kāi)關(guān)型整流器SMR）通常使用大功率高頻開(kāi)關(guān)器件MOSFET或IGBT，開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50～100kHz范圍內(nèi)，初步實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。［3］近幾年，開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大，單機(jī)容量已從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多，其要求的供電電壓也各不相同。在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊，從中間母線電壓（一般為24V至48V直流）變換成所需的各種直流電壓。這樣可大大減小損耗、方便維護(hù)，且安裝、增容非常方便，一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上。對(duì)二次電源的要求是高功率密度，因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。［2］

開(kāi)關(guān)電源中通過(guò)DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓。目前，通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率一般在500kHz以下，功率密度為5W～20W/in3。且用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能（20～30）％。在開(kāi)關(guān)電源中直流斬波器不僅起調(diào)壓的作用，同時(shí)還起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊進(jìn)一步小型化，因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊，功率密度有了較大幅度的提高。［4］

2.2網(wǎng)上電源設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法的比較

（1）傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

表1確認(rèn)框傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)都是先根據(jù)所需的電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和選取電路元器件參數(shù)；然后在計(jì)算機(jī)上用Pspice或EleCTRonicworkbench等CAD軟件進(jìn)行仿真，得到輸入輸出波形，再進(jìn)行分析。這種方法比較直觀，但是也有其固有的缺點(diǎn)，如：

①設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng)，稍為復(fù)雜一些、功率容量大一些的開(kāi)關(guān)電源，從元器件選擇、參數(shù)確定，計(jì)算機(jī)仿真、調(diào)試到完成設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)，一般要經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)星期甚至數(shù)月的時(shí)間；

②CAD軟件的元件庫(kù)更新速度不夠，當(dāng)前電子技術(shù)迅猛發(fā)展，而一般的仿真軟件都有一定的滯后；

③CAD軟件使用不夠方便，一般的電路設(shè)計(jì)軟件的使用都比較復(fù)雜，對(duì)使用者的要求比較高，仿真過(guò)程中稍不注意就會(huì)出現(xiàn)不收斂等問(wèn)題；

④如果電源設(shè)計(jì)者的計(jì)算機(jī)配置不夠高，進(jìn)行一個(gè)仿真就需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。

（2）基于Internet的電源設(shè)計(jì)方法及其特點(diǎn)

MICROSIM與NS合作，開(kāi)發(fā)了網(wǎng)上電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Websim），它是國(guó)際上半導(dǎo)體工業(yè)的第一個(gè)用于電源管理設(shè)計(jì)的綜合網(wǎng)上資源，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能包括元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、演示板定購(gòu)和在線樣本仿真，其優(yōu)點(diǎn)是：

①設(shè)計(jì)周期短由于Websim是在輸入電壓要求之后直接給出電路，省去了用戶自己設(shè)計(jì)電路拓?fù)浜陀?jì)算電路參數(shù)的環(huán)節(jié)，并且只需在所給的典型應(yīng)用電路上稍作改動(dòng)即可得到所需的電路，因此使得電源設(shè)計(jì)可以在很短時(shí)間內(nèi)完成；

②節(jié)約投資用戶可以使用網(wǎng)站上提供的超級(jí)計(jì)算機(jī)和仿真軟件完成電源的設(shè)計(jì)工作，消除了對(duì)昂貴軟件和工作站的依賴。既保證了計(jì)算的精度，也節(jié)約了設(shè)計(jì)的成本；

③簡(jiǎn)便直觀Websim的使用對(duì)用戶沒(méi)有很高的要求，使用者只需對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路有一定的認(rèn)識(shí)、各主要節(jié)點(diǎn)的波形有一定的概念，就可以設(shè)計(jì)符合要求的電路，不需對(duì)復(fù)雜的仿真軟件有很深的認(rèn)識(shí)。

3Webench工具軟件及其應(yīng)用示范

Webench是一套電源設(shè)計(jì)工程師使用的工具，具有Websim功能，它提供了相互作用的工具，能夠選擇、仿真和定購(gòu)樣品，實(shí)現(xiàn)省時(shí)的供電設(shè)計(jì)。Websim是一個(gè)瀏覽器式的仿真工具。它能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

（1）供電線路性能的實(shí)時(shí)反饋；

（2）可以得到穩(wěn)態(tài)（SteadyState）、起動(dòng)（Start

Up）、線路瞬時(shí)響應(yīng)（LineTransientResponse）、負(fù)載瞬時(shí)響應(yīng)（LoadTransientResponse）、環(huán)路增益檢測(cè)（LooPGAinMeasurement）和趨勢(shì)預(yù)測(cè)；

（3）測(cè)量數(shù)據(jù)處理和波形顯示。

以一個(gè)輸入為最小20V，最大22V；輸出為＋5V（1A）、＋10V（0.5A）、－15V（0.2A）的三輸出DC/DC變換器為例，給出典型的設(shè)計(jì)步驟。

3.1從Power.national.com獲取信息

首先在瀏覽器的地址欄中鍵入：Http://power.national.com選擇Webench。假如用戶是第一次登陸，系統(tǒng)會(huì)要求輸入一個(gè)電子郵箱地址作為帳號(hào)，并發(fā)出一封確認(rèn)信，通過(guò)了身份確認(rèn)后，就可以使用該網(wǎng)站了。網(wǎng)站會(huì)給每個(gè)正式用戶分配一個(gè)“MyWebench”的磁盤空間，用于存儲(chǔ)個(gè)人仿真、設(shè)計(jì)材料單和在線元器件分布和演示板。以后用戶可以通過(guò)個(gè)人化“MyACCount”，獲取個(gè)人帳號(hào)的所有信息，如ChangePassword等功能。

3.2用solutionselector選擇元器件

（1）正確登陸Webench后，會(huì)有一個(gè)對(duì)話框，要求用戶在各欄上設(shè)定開(kāi)關(guān)電源的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求值，包括設(shè)定電源的輸入電壓最大值和最小值、環(huán)境溫度變化范圍、開(kāi)關(guān)電源的各組輸出電壓和電流值等。本例要求是設(shè)計(jì)一個(gè)單輸入，三輸出的Flybach型開(kāi)關(guān)電源。

（2）設(shè)計(jì)要求提交后，會(huì)自動(dòng)列出NS所生產(chǎn)的、能夠構(gòu)成符合輸出要求的各種PWM集成芯片和設(shè)計(jì)要求的確認(rèn)框，如表1所示。

圖1LM2585內(nèi)部框圖（此圖由MICROSIM網(wǎng)站下載）

圖2三路輸出電路圖（此圖由MICROSIM網(wǎng)站下載，未做格式處理）

通過(guò)從該網(wǎng)站上得到的LM2585的Datasheet，可以知道LM2585的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，電路結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)的要求。于是我們選擇LM2585，提交后會(huì)出現(xiàn)如表2所示對(duì)話框。

選擇三輸出，＋（Out1），＋（Out2），－（Out3）的電路，提交后就會(huì)有如圖2的電路給出。在電路中，元器件的參數(shù)可以改變以達(dá)到所需的電路性能。

3.3電路參數(shù)設(shè)定后，就可以從ControlPanel中選擇要測(cè)量的電路狀態(tài)進(jìn)行仿真了。

仿真結(jié)束后，只需將鼠標(biāo)移到可得到該點(diǎn)電壓波形；將鼠標(biāo)移到可得到該點(diǎn)電流波形。電路元器件參數(shù)可以隨時(shí)改變以達(dá)到所需的電路性能。如果性能符合要求，即可以確定電路的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)際的研究、試驗(yàn)后，最終形成產(chǎn)品。

在圖2所示的電路中，選擇電路的穩(wěn)態(tài)（SteadyState）進(jìn)行仿真。結(jié)束后，我們測(cè)量輸出電壓（Vout1，Vout2，Vout3），得到如圖3的輸出波形，為進(jìn)一其測(cè)試值如表3所示，可知滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖3三路輸出穩(wěn)態(tài)電壓波形步分析輸出電壓的平均值和紋波提供依據(jù)。

表3輸出測(cè)試值

測(cè)試內(nèi)容最小值（V）最大值（V）峰峰值（V）平均值（V）

Vout14.994775.028210.0334401135.009251

Vout29.802889.924260.121379859.865706

Vout3－15.0283－14.96730.06099987－14.99307

4小結(jié)

由上面的分析我們可以看出，本文所敘述的這種網(wǎng)上電源設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)相比較，有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。這種電源設(shè)計(jì)也有其缺點(diǎn)，即元器件的選擇有較大的限制。但是其將傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)與Internet結(jié)合的思想?yún)s是值得借鑒的。相信在不久的將來(lái)，隨著越來(lái)越多的集成芯片廠商采用這種方式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，必將對(duì)廣大用戶的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)極大的方便。