許少娟,刁立強(qiáng),于海霞

(大連理工大學(xué) 城市學(xué)院,遼寧 大連 116600)

模擬電子電路課程設(shè)計(jì)是電氣類專業(yè)學(xué)生學(xué)完大學(xué)物理、模擬電子電路理論及實(shí)驗(yàn)后的綜合設(shè)計(jì),本文研究的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源是其中的一個(gè)設(shè)計(jì)題目,學(xué)生在進(jìn)行該題目設(shè)計(jì)時(shí),由于未能透徹理解電路的工作原理、缺乏復(fù)雜電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)等原因,往往困在某個(gè)步驟無法解決導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。本文在設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)采用梯度漸進(jìn)方案對(duì)任務(wù)分解,降低了調(diào)試難度,并借助Multisim軟件仿真演示了完整的調(diào)試過程,以期為相關(guān)教學(xué)提供一些參考。

1 設(shè)計(jì)要求和參數(shù)

用三極管作為開關(guān)管,設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源,輸入電壓為12 V,存在上下2 V的波動(dòng),要求輸出電壓7 V,紋波電壓小于100 mV,電感紋波電流小于150 mA。設(shè)計(jì)電路,計(jì)算參數(shù),完成Multisim仿真并在面包板上搭建調(diào)試。

2 設(shè)計(jì)方案和工作原理

設(shè)計(jì)要求輸入電壓高于輸出電壓,故應(yīng)設(shè)計(jì)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源。降壓型開關(guān)電源的原理圖見圖1,包括BUCK變換器和閉環(huán)控制電路兩部分[1]。只有深入理解了電路的工作原理才能預(yù)知各模塊的輸出特性,進(jìn)而對(duì)電路進(jìn)行分解、調(diào)試和分析,因此熟知電路工作原理是設(shè)計(jì)和調(diào)試電路的必要前提。

圖1 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖

2.1 BUCK變換器

圖1中BUCK變換器又稱降壓變換器,是一種對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波器,其輸出電壓低于輸入電壓。電感L、電容C構(gòu)成LC濾波器[2],由于受控開關(guān)SW輸出信號(hào)在兩個(gè)電平間不斷切換,存在大量高頻諧波,LC濾波器可以將其濾除。開關(guān)SW斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的峰值電壓,二極管VD為開關(guān)斷開瞬間的電流提供一條通路,起到續(xù)流作用。

2.2 閉環(huán)控制電路

在實(shí)際電路中,輸入電壓、負(fù)載都存在一定的波動(dòng),這些因素會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng),因此要加入反饋形成閉環(huán)回路以保證輸出電壓穩(wěn)定[3]。閉環(huán)控制電路由反饋電路、誤差放大器以及PWM調(diào)制器(脈寬調(diào)制器)組成,如圖1所示。引入電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)方波的占空比,由反饋電路引導(dǎo)PWM調(diào)制器自動(dòng)調(diào)整開關(guān)通斷時(shí)間從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

2.3 工作原理

3 設(shè)計(jì)及調(diào)試方案

本電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)整體電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試有一定難度。例如開關(guān)管電路涉及具體元件選取、電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選定,在高頻工作狀態(tài)還要考慮開關(guān)管的延遲特性等諸多因素,增加了設(shè)計(jì)難度[4]。對(duì)于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的學(xué)生,解決這些問題需要花費(fèi)大量精力去查閱資料、論證方案,在教師難以及時(shí)指導(dǎo)的情況下,極有可能卡在某個(gè)環(huán)節(jié)造成設(shè)計(jì)過程停滯,從而打擊學(xué)生的積極性[5]。鑒于此,本文采取模塊分解、替代方案等手段對(duì)電路調(diào)試過程重新進(jìn)行設(shè)計(jì)[6],形成一種梯度漸進(jìn)設(shè)計(jì)方案,如圖2所示。

圖2 梯度漸進(jìn)設(shè)計(jì)方案

一階:系統(tǒng)劃分。根據(jù)功能將電路劃分為BUCK變換器和閉環(huán)控制電路兩部分,每一部分再具體劃分,先分別調(diào)試每個(gè)模塊,調(diào)試無誤后再將各模塊逐一連接調(diào)試,這樣才易于確定哪部分電路出了問題。本階段目標(biāo)是熟悉各單元模塊的特性和預(yù)期輸出情況。

二階:替代方案調(diào)試簡化設(shè)計(jì)。在一階基礎(chǔ)上分析各單元電路的預(yù)期輸出信號(hào),據(jù)此設(shè)計(jì)替代方案。部分信號(hào)先借助儀器產(chǎn)生,例如基準(zhǔn)電壓用穩(wěn)壓源替代產(chǎn)生,三角波、驅(qū)動(dòng)方波用信號(hào)發(fā)生器替代產(chǎn)生;部分單元電路先采取替代方案進(jìn)行調(diào)試,例如開關(guān)管電路用模擬開關(guān)代替,可以大幅降低調(diào)試難度,讓學(xué)生直觀觀察到電路現(xiàn)象,從整體上理解和把握系統(tǒng)的控制關(guān)系。

三階:替代方案具體設(shè)計(jì)。對(duì)采取替代方案的單元模塊設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)電路,調(diào)試后接入電路進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)。在該階段,由于主體部分已經(jīng)調(diào)試完成,待設(shè)計(jì)單元電路目標(biāo)很明確,學(xué)生壓力小了很多,可以全心投入、各個(gè)擊破。

采取梯度漸進(jìn)方案對(duì)任務(wù)分解,將繁雜的設(shè)計(jì)任務(wù)按需分配到不同階段,循序漸進(jìn),每個(gè)階段都有明確的階段目標(biāo),更易于取得相應(yīng)的進(jìn)展和收獲[7]。鑒于軟件仿真不確定因素少、元件和儀器不受物理?xiàng)l件限制、測(cè)試結(jié)果直觀[8],本電路調(diào)試過程以Multisim仿真形式呈現(xiàn),對(duì)實(shí)際電路調(diào)試同樣具有參考意義[9]。

4 梯度漸進(jìn)方案仿真調(diào)試

4.1 系統(tǒng)劃分

根據(jù)梯度漸進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行系統(tǒng)劃分、單元模塊分解,得到整體仿真電路如圖3所示。電路劃分為BUCK變換器和閉環(huán)控制電路,其中BUCK變換器分為濾波電路和開關(guān)管兩部分,閉環(huán)控制電路分為取樣電路、誤差放大器、PWM調(diào)制器三部分。根據(jù)題目對(duì)輸出電壓、紋波電壓、電感紋波電流等指標(biāo)的要求,參考相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算[10],濾波電感和電容分別取25 mH、20 uF,至于續(xù)流二極管等器件的參數(shù)計(jì)算和選型本文不作詳細(xì)介紹,側(cè)重進(jìn)行調(diào)試方案的設(shè)計(jì)。

圖3 替代方案整體仿真電路

4.2 替代方案設(shè)計(jì)及調(diào)試

根據(jù)梯度漸進(jìn)方案思想進(jìn)行替代方案設(shè)計(jì)。BUCK變換器部分,受控開關(guān)SW先用Multisim模擬開關(guān)替代,再采用三極管實(shí)現(xiàn),且模塊調(diào)試時(shí),驅(qū)動(dòng)方波uB先用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生,整體聯(lián)調(diào)時(shí)再接入PWM調(diào)制器提供的驅(qū)動(dòng)方波;閉環(huán)控制部分,誤差放大器采用差分放大電路,其基準(zhǔn)電壓UREF先用基準(zhǔn)電壓源替代,再用穩(wěn)壓二極管電路實(shí)現(xiàn);PWM調(diào)制器采用電壓比較器,其三角波發(fā)生電路先用信號(hào)發(fā)生器替代,再用具體電路實(shí)現(xiàn),反饋電壓UO先用基準(zhǔn)電壓源替代,再由取樣電路實(shí)現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上即可按梯度漸進(jìn)方案對(duì)電路進(jìn)行分步調(diào)試。為體現(xiàn)電路工作情況且便于理解,本文按照電路閉環(huán)中信號(hào)流動(dòng)的方向進(jìn)行調(diào)試,以BUCK變換器為起點(diǎn),按“BUCK變換器-誤差放大器-PWM調(diào)制器”順序調(diào)試。由于各模塊功能是獨(dú)立的,調(diào)試順序并沒有特定要求,經(jīng)過一階段已熟知各模塊功能和預(yù)期輸入輸出的前提下,學(xué)生可根據(jù)調(diào)試情況靈活安排。對(duì)單個(gè)模塊調(diào)試時(shí),需要綜合考慮前一模塊所能提供的信號(hào)范圍,以此作為該模塊輸入信號(hào)取值設(shè)定的依據(jù)。

4.2.1 BUCK變換器調(diào)試

在Multisim中選擇模擬開關(guān)AD7510D1JD,應(yīng)注意其供電電源必須高于輸入電壓。在完整電路中,驅(qū)動(dòng)方波uB由集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器產(chǎn)生,若其采用正負(fù)5 V電源供電,則輸出值應(yīng)為集成運(yùn)放的飽和電壓,此處取+4.1 V、-4.1 V,實(shí)際電路中采用的芯片不同則飽和值會(huì)有浮動(dòng)。添加兩個(gè)電流鉗分別測(cè)量電感和二極管電流,仿真電路如圖4所示。

圖4 BUCK變換器仿真電路

圖5(a)為uB占空比分別取50%和80%時(shí)BUCK電路輸出電壓的瞬態(tài)分析,可見電路經(jīng)過瞬態(tài)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。讀得uB占空比50%時(shí)uO穩(wěn)態(tài)值為4.05 V,uB占空比80%時(shí)UO穩(wěn)態(tài)值為5.96 V,可見占空比越大,輸出電壓穩(wěn)態(tài)值越大,符合電路工作原理。

t/s(a)uB不同占空比輸出電壓瞬態(tài)波形

圖5(b)為PWM信號(hào)占空比為50%對(duì)應(yīng)的電感電壓、電感電流波形。開關(guān)閉合期間,電感充電,電流持續(xù)增長;開關(guān)斷開期間,電感放電,電流降低。電感充電和放電時(shí)間相等,與PWM信號(hào)占空比為50%的條件相符。

圖5(c)為二極管電壓和電流仿真波形?？梢?開關(guān)導(dǎo)通期間,二極管兩端電壓約為輸入電壓12 V,二極管電流為0,處于截止?fàn)顟B(tài);開關(guān)斷開期間,二極管兩端電壓約為-0.7 V,處于導(dǎo)通狀態(tài),其中有電流流過且逐漸遞減,最大值達(dá)20 mA(電流鉗的電壓電流比例為1 V/mA),體現(xiàn)了二極管的續(xù)流作用。

4.2.2 閉環(huán)控制電路

分別對(duì)誤差放大器和PWM調(diào)制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

(1)誤差放大電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

該電路對(duì)反饋電壓UO與基準(zhǔn)電壓UREF進(jìn)行比較并將誤差信號(hào)放大,采用差分放大電路如圖6。其輸出電壓為

圖6 差分放大電路仿真圖

Uf=Rf/R1(uREF-UO) 。

(1)

調(diào)整相應(yīng)電阻即可調(diào)整放大倍數(shù)。仿真時(shí)集成運(yùn)放選用741型號(hào),注意要選用設(shè)定輸出飽和電壓參數(shù)的模型。利用電位器模擬產(chǎn)生反饋電壓UO,為方便調(diào)試,基準(zhǔn)電壓UREF采用基準(zhǔn)電壓源實(shí)現(xiàn),修改其數(shù)值即可改變基準(zhǔn)電壓。

表1為反饋電壓UO取不同值時(shí)測(cè)得的輸出電壓uf?？梢奤O為3.5 V、4.0 V和4.5 V時(shí),符合差分放大規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了約4.7倍的差分放大功能;UO為3.0 V和5.0 V時(shí),由于運(yùn)放輸出分別達(dá)到正、負(fù)飽和,因而不再符合差分放大規(guī)律。

表1 不同反饋電壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓

(2) PWM調(diào)制器設(shè)計(jì)及調(diào)試

圖1所示PWM調(diào)制器采用電壓比較器實(shí)現(xiàn),將放大的誤差信號(hào)Uf與三角波比較,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)方波uB。根據(jù)梯度漸進(jìn)方案,三角波先用信號(hào)發(fā)生器替代產(chǎn)生,基準(zhǔn)電壓Uf用基準(zhǔn)電壓源提供,見圖7。

圖7 PWM調(diào)制器仿真電路

高頻時(shí)器件的傳輸延遲明顯,會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生影響。為清晰觀察PWM信號(hào),將三角波頻率調(diào)低為1 kHz,Uf分別取0 V、1 V、-1 V,仿真波形見圖8。

t/s(a)Uf=0

由圖8,輸出方波峰值為+4.1 V和-4.1 V,對(duì)應(yīng)運(yùn)放的正、負(fù)飽和電壓。Uf=0,輸出方波占空比為50%;Uf=1 V,占空比變大;Uf=-1 V,占空比變小。可見改變Uf能調(diào)節(jié)輸出方波的占空比。同樣,改變?nèi)遣ǚ逯狄材苷{(diào)節(jié)輸出方波的占空比。

4.2.3 電路整合調(diào)試

按圖3連接調(diào)試好的濾波電路、差分放大電路、PWM信號(hào)發(fā)生器并添加反饋電路,構(gòu)成整體仿真電路。檢查前后級(jí)的信號(hào)是否適合,電壓比較器的Uf信號(hào)由差分放大器提供,差分放大器的運(yùn)放采用正負(fù)5 V雙電源供電的情況下,輸出Uf約為-4 V～+4 V之間變化。為保證比較器輸出方波,三角波信號(hào)的峰值應(yīng)大于誤差信號(hào)Uf且留有一定裕度,暫取5 V,可適當(dāng)調(diào)整。

關(guān)鍵觀測(cè)點(diǎn)觀察。用萬用表或探針測(cè)量UO、Uf等各觀測(cè)點(diǎn)的電壓,符合差分放大器的放大規(guī)律;用示波器觀測(cè)三角波、驅(qū)動(dòng)方波、模擬開關(guān)輸出電壓、電感電壓、電感電流、二極管電流等關(guān)鍵信號(hào)的波形,信號(hào)間的控制關(guān)系符合分步調(diào)試呈現(xiàn)的規(guī)律。

測(cè)量輸出電壓?；鶞?zhǔn)電壓UREF=3.5 V、三角波幅值為5 V時(shí),測(cè)得輸出電壓Uf為6.64 V,離設(shè)計(jì)要求7 V有一些偏差。調(diào)節(jié)三角波幅值為5.7 V時(shí),測(cè)得輸出電壓如圖9(a)通道A,讀得穩(wěn)定后的Uf為6.98 V,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(a)輸出電壓波形

觀測(cè)輸出紋波電壓和電感紋波電流。將示波器撥到AC檔,得到輸出紋波電壓如圖9(b)通道A,讀出輸出紋波電壓為71 mV。電感紋波電流如圖9(c)通道B,電流鉗的電壓電流比例為1 V/mA,讀出紋波電流為30 mA。達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 替代電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

將替代部分用具體元器件實(shí)現(xiàn),包括開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、三角波發(fā)生器、基準(zhǔn)電壓。為充分發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性,該部分僅給出設(shè)計(jì)思路,留給學(xué)生自主查閱資料進(jìn)行具體設(shè)計(jì)[11]。

4.3.1 開關(guān)管電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

題目要求開關(guān)管采用三極管實(shí)現(xiàn),可參考圖10電路。但三極管作為開關(guān)要注意兩個(gè)問題:一是管子從飽和到截止開關(guān)速度比較慢,高頻工作條件下要關(guān)注其產(chǎn)生的影響[12];二是三極管開關(guān)的輸出電壓受制于輸入電壓,以NPN管為例,發(fā)射結(jié)導(dǎo)通時(shí)發(fā)射極電位必然低于集電極電位。這些特點(diǎn)增加了開關(guān)管電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮并據(jù)此對(duì)圖10電路進(jìn)行改進(jìn)。

圖10 NPN管作為開關(guān)管

4.3.2 三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)及調(diào)試

三角波發(fā)生器可參考圖11電路進(jìn)行設(shè)計(jì),改變參數(shù)即可調(diào)節(jié)三角波的頻率、幅值。

圖11 方波-三角波發(fā)生器

4.3.3 基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)及調(diào)試

基準(zhǔn)電壓UREF可利用穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)實(shí)現(xiàn),如圖12。根據(jù)所需穩(wěn)壓值選擇穩(wěn)壓管型號(hào),計(jì)算穩(wěn)壓管參數(shù)、電阻取值,并測(cè)試穩(wěn)壓效果。

圖12 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓

以上單元電路分別調(diào)試完成后,接入圖3整體電路替換原來的簡化方案,參照單元電路的預(yù)期輸出效果重新進(jìn)行整合調(diào)試。

5 結(jié) 論

采取梯度漸進(jìn)設(shè)計(jì)方案將設(shè)計(jì)任務(wù)分階,按功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊分解,對(duì)某些較難實(shí)現(xiàn)的單元電路,根據(jù)其預(yù)期輸出情況先選擇特性相同的器件或儀器替代,讓學(xué)生觀察和理解電路功能之后,再逐步將單元電路細(xì)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn),通過層層遞進(jìn)的設(shè)計(jì)過程,學(xué)生對(duì)單元電路的功能和預(yù)期輸出、整體電路的控制關(guān)系已了然于胸,在此基礎(chǔ)上拾級(jí)而上,再進(jìn)行整體電路的調(diào)試、單元電路的細(xì)化設(shè)計(jì),可以保證每個(gè)階段都有相應(yīng)的進(jìn)展和收獲,很好地保護(hù)和調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)踐熱情。