基于Multisim的節(jié)能型恒流開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

林境澤

（廣東天銀實(shí)業(yè)有限公司，廣東 揭陽 522000）

基于Multisim的節(jié)能型恒流開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

林境澤

（廣東天銀實(shí)業(yè)有限公司，廣東 揭陽 522000）

通過對恒流開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖分析，闡述了恒流輸出原理和實(shí)現(xiàn)方法；應(yīng)用Multisim電路仿真軟件對電路進(jìn)行仿真測試，結(jié)果表明：恒流開關(guān)電源的輸出電壓、輸出電流和輸出功率等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，電源的工作效率達(dá)到81.1%，節(jié)能效果好。

節(jié)能型；恒流；開關(guān)電源

Abstract:On the analysis of the system block diagram of constant current switching power supply, this paper expounds the principle of constant current output and the implementation method; Using Multisim circuit simulation software to simulate the circuit testing, the results show that all the indexes of the constant current switch power supply meet the design requirements ,such as output voltage and output current and output power, which the power efficiency is 81.1% with good energy-saving effect.

Keywords: Energy saving; Constant current; Switching power supply

CLC NO.: TP17 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-07-03

前言

開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)電源(Switching Power Supply)，因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開關(guān)方式工作而得名。它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)管通斷的時(shí)間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴(kuò)容等優(yōu)良特性[1]。開關(guān)電源因其高效節(jié)能引起社會各方面的重視，現(xiàn)已成為通用開關(guān)電源、專用開關(guān)電源及特種開關(guān)電源優(yōu)選集成電路，廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、程控交換機(jī)、攝像機(jī)、VCD、電子游戲機(jī)等電子設(shè)備上。本文通過對恒流型開關(guān)電源的整體電路原理分析，應(yīng)用Multisim仿真軟件進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出一款節(jié)能型單端正激開關(guān)穩(wěn)壓恒流電源[2-4]。

1 恒流開關(guān)電源原理分析

1.1 恒流開關(guān)電源系統(tǒng)框圖

圖1給出了恒流開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖，由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、穩(wěn)壓恒流電路、保護(hù)電路、反饋電路、控制電路以及功率開關(guān)組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開關(guān)電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲能、變流或者是變阻等作用的。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，通過濾波器把多余雜波給濾掉。穩(wěn)壓恒流輸出電路目的是為負(fù)載提供一個(gè)恒流電流。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準(zhǔn)電流電壓值相比較，起到反饋傳遞作用?？刂破魇峭ㄟ^反饋電路的信息在調(diào)整電路電流電壓的輸出的，輸出電流盡可能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。而功率開關(guān)管是由控制器PWM控制它的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)脈沖寬度從而也實(shí)現(xiàn)占空比大小調(diào)節(jié)的。整體電路是將頻率為50Hz、220V交流電壓經(jīng)過主電路輸入整流與濾波、變壓器、整流、續(xù)流與濾波、穩(wěn)壓電路恒流流電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，輸出恒定直流電流。

圖1 恒流開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖

1.2 恒流輸出原理分析

任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能，均需對電源的輸出電流進(jìn)行檢測取樣，與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)（P、PI、PID）。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定。

圖2給出了恒流控制反饋系統(tǒng)圖，Iref是電流設(shè)置基準(zhǔn)；CR是電流PI調(diào)節(jié)；Kfi是電流取樣反饋系數(shù)；RS、Ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi，通過P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。

圖2 恒流控制反饋系統(tǒng)圖

圖3 恒流輸出電路

恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源電路構(gòu)成如圖3所示。MC7815為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL為LED二極管負(fù)載電阻，RW為可調(diào)電阻器。

固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：

式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當(dāng)RW較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略Iq。當(dāng)電路中電壓或者是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，MC7815用改變自身壓差來維持通過負(fù)載的電流不變的。

設(shè)RW=1~15Ω時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍：

可以實(shí)現(xiàn)10A恒流輸出的。

2 恒流開關(guān)電源電路仿真

2.1 仿真原理圖

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)和高可靠性，倍受人們的重視。應(yīng)用仿真技術(shù)可以減少設(shè)計(jì)費(fèi)用和設(shè)計(jì)時(shí)間，并改進(jìn)電力電子電路的可靠性。Multisim仿真軟件是一項(xiàng)功能強(qiáng)大的電路仿真軟件，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強(qiáng)大功能，幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的合理性。圖4給出了單端正激開關(guān)穩(wěn)壓恒流電源仿真原理圖，輸出電壓反饋形成單閉環(huán)控制的[5]。

圖4 電路仿真原理

2.2 仿真測試

仿真電路輸入交流電為220V，如圖5(a)所示啟動仿真分析，通過虛擬仿真儀器，可得到恒流開關(guān)電源的各項(xiàng)測試指標(biāo)。圖5(b)、5(c)分給出了功率開關(guān)管出發(fā)脈沖波形和輸出穩(wěn)壓波形，表1、表2列出了變壓器整流后二次直流電壓和恒流輸出電流大小，表3、表4分別列出了開關(guān)電源的輸入功率和輸出功率。

圖5 仿真波形

表1 整流后二次直流電壓

表2 開關(guān)電源的輸出電流

表3 開關(guān)電源的輸出功率

表4 開關(guān)電源的輸出功率

故恒流開關(guān)電源的工作效率為：

通過對整體電路的功能和典型性能參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的恒流型開關(guān)電源能達(dá)到穩(wěn)定的輸出電流，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，開關(guān)電源工作達(dá)到 81.1%，遠(yuǎn)高于線性電源，具有很好的節(jié)能效果。

3 結(jié)束語

開關(guān)電源因其高效節(jié)能，現(xiàn)通用開關(guān)電源、專用開關(guān)電源及特種開關(guān)電源均優(yōu)選集成電路，以后開關(guān)電源將向更小體積、更少電磁污染、具有可靠的過電壓及過電流保護(hù)方向發(fā)展發(fā)展，特別是在驅(qū)動LED恒流開關(guān)電源、DSP數(shù)字化開關(guān)電源方面，具有很大研究價(jià)值。

[1] 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2] 司明. 一種開關(guān)電源PWM控制電路設(shè)計(jì)[D]. 遼寧大學(xué)碩士論文,2013.

[3] 朱劍. LED 恒流驅(qū)動開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[D]. 浙江理工大學(xué)碩士論文, 2015.

[4] 劉夢坷,唐海洋. 單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2017(1):175-178.

[5] 李葳, 殳國華. 基于MULTISIM的反激式開關(guān)電源的仿真[J]. 電氣自動化, 2010(3): 26-28,45.

Circuit Design of Energy-saving Switching Power Supply with Constant Current Based on Multisim

Lin Jingze
（Guangdong tianyin industrial co. LTD, Guangdong Jieyang 522000 )

TP17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-07-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.003

林境澤（1990-），男，助理工程師，主要從事電氣自動化技術(shù)工作。