斩波电路(二) —— 降压斩波电路仿真

好

我们下面对降压斩波电路进行仿真

我们使用的仿真软件呢，是 TINA

我们仿真采用一些巧妙的手段

来简化仿真

第一个就是我们用时间开关

TINA 里面这有个 t

时间开关

来代替实际的 MOSFET

这样我们可以方便的设置开关的频率和占空比

我们双击

在 TINA 软件双击这个开关

我们就可以得到时间控制开关的设置界面

我们需要设置这么一些参数

DC 状态

也就是说我默认上电的时候

这个开关是闭合的还是断开的

这个时候呢，我们让开关

一般都让它断开

也就是关闭

然后我们要设置周期

这个周期我们设成1us

也就是说我的开关频率是1MHz

这个地方勾上 是

也就是说，我这个开关是周期性开关

就是说不只是工作一个周期

每个周期以后都是以1MHz频率工作

ton，就是开关闭合的时间从0开始

断开的时间在600ns

而总周期是1us

也就是说我这个开关的占空比是60%

通过时间开关非常容易的

我就可以设置一个电力电子开关的作用

下一个，我们在滤波电容 Co 上

直接串联一个电阻 Rcs

这样呢,我们可以直观的来模拟

电容的串联等效电阻

虽然直接在电容属性里面

也可以去设置串联等效电阻

但是另外来使用一个电阻来模拟

这样看起来更直观

我们二极管呢也选用了

导通压降更低的肖特基二极管，SD1

我们来讨论

串联等效电阻对输出电压纹波的影响

我们监测二极管的阴极电压 VF1

输出电压 Uo

和电感电流 iL

在这

其中 VF1，这个探测电压探测点

主要用来判断电感电流是否连续

如果电感电流连续

那么给电感提供电流支路的

要么是开关 SW1

要么是二极管

也就是说不是 SW1 通的

就是二极管通的

那么 SW1 导通

VF1 的电压就会是10V

如果二极管导通

VF1 电压就会是0V

也就是说如果 VF1 电压是完美的方波

则表示电感电流是连续的

我们看100mΩ等效串联电阻的时候

输出的纹波

输出电压这里是5.9几V

理论值是6V

好

根据60%占空比

输入10V，应该是6V

这是完美吻合的

那么输出电压的纹波呢

我们相减大概是30mV

这个纹波比较大

因为我们的等效串联电阻比较大

那么 VF1 上的电压是方波

这表明电感电流是连续的

我们再进一步的观察

电感电流和纹波电压

它们的形状是一样的

虽然量纲不一样

但它们形状是一样的

但它们形状是一样的

我们通过这个可以分析出

输出的纹波电压是什么引起的呢

是纹波电流

在输出电容上造成的电压起伏

电感电流的上升率和下降率是可以计算的

比如说我们看上升率

当开关闭合时候

电感电压是 E-Uo

它等于电感电压的表达式 Ldi/dt

那我们移项，就可以得到

电流的上升率是什么呢

就是 (E-Uo)/L

这三个量都是常数

所以是线性上升

那么当开关断开的时候

电感上电压是 -Uo

同样等于 Ldi/dt

那么我们可以得到

这里有一个负数

代表电感电流是下降的

它的斜率是 Uo/L

也是个常数

下面我们看10mΩ情况的输出纹波

明显变小

那么滤波电容的效果呢

与电路等效串联电阻直接相关

我们这个仿真，电容值没有变

只是变化了 Rcs

纹波就发生很大变化

这是因为电感上的波动电流

不仅仅对电容进行充放电

引起电压波动

而且它直接在这个等效串联电阻上

形成了压降

形成了压降

所以我们等效串联电阻越小

滤波效果越好

那么对于同种类的电容呢

电容值越大

这个电阻 ESR

也就是我们的 Rcs 就越小

而同容量的钽电容

我们经常听到一个钽电容

其实它也是电解电容

那么它的优势在哪呢

就是同容量的钽电容

ESR 要小于铝电解电容

差不多能有10倍的关系

我们进一步降低开关频率

我们把开关频率降到100k

那么这个时候呢

电流发生了断续

已经不是完美方波了

发生了振荡

那么振铃完成以后

这个地方

它的趋势呢

电压是接近于 Uo

我们看为什么

如果电感电流连续

VF1 要么被接到了 E 上面

要么被二极管接到地上

所以说应该是方波

但如果电感上没有电流了

这两个开关

二极管也是开关

两个开关都不导通

那么 VF1 在稳定以后

它就被接到了 Uo 上

那么开关频率

改变开关频率

为什么会对电流连续产生影响呢

这个也很好解释

因为当其他参数一定的时候

我电感电路的下降率是一定的

那么开关频率越低

也就是说你拖的时间越长

你以一定速度下降

总会把它降到零

所以开关频率足够低

电流一定会发生断续

我们进一步看纹波

我降低开关频率以后

等效串联电阻还是很小

但是我的纹波电压也达到了30mV

这是为什么呢

这就是因为开关频率变低导致的

我们说过纹波电压是纹波电流给电容充电

以及在等效串联电阻上压降产生的

那么你以一定的斜率

充放电这么一个纹波电流

充放电时间的越长

这个纹波电流峰值自然也就越大

所以我们在这里呢基本上

你等效串联电阻变小的效果

被频率降低的效果基本上就给抵消掉了

那么看输出电压

现在输出电压达到了7V

比理论值的6V要高

这个符合我们前面的分析

电感电流断续的时候

输出电压会变高

我们进一步降低开关频率

我们把开关频率呢

现在降到了20k

那么现在看的更明显了

输出电压现在到了9V多

偏离理论值更远

这也符合理论

那么 VF1 上电压经过短暂的振铃以后

趋近于这根线

这实际上就是这里的9V

直到开关再次闭合

回到这个地方10V

我们可以通过改变电感 L

来实现电感电流连续

我现在维持开关频率20kHz不变

但是呢，我把电感值加到了1mH

那么这时候我们看到完美方波

也就是说电感电流是连续的

那么这个道理很好解释

根据 uL 等于 Ldi/dt

我们可以推导出电流的斜率下降率

是和电感量成反比的

也就是说我电感越大

我的下降的斜率越慢

那么以此呢

我就越慢达到电流断续

以此呢实现电感电流连续

好，这节课就到这里

好

我们下面对降压斩波电路进行仿真

我们使用的仿真软件呢，是 TINA

我们仿真采用一些巧妙的手段

来简化仿真

第一个就是我们用时间开关

TINA 里面这有个 t

时间开关

来代替实际的 MOSFET

这样我们可以方便的设置开关的频率和占空比

我们双击

在 TINA 软件双击这个开关

我们就可以得到时间控制开关的设置界面

我们需要设置这么一些参数

DC 状态

也就是说我默认上电的时候

这个开关是闭合的还是断开的

这个时候呢，我们让开关

一般都让它断开

也就是关闭

然后我们要设置周期

这个周期我们设成1us

也就是说我的开关频率是1MHz

这个地方勾上 是

也就是说，我这个开关是周期性开关

就是说不只是工作一个周期

每个周期以后都是以1MHz频率工作

ton，就是开关闭合的时间从0开始

断开的时间在600ns

而总周期是1us

也就是说我这个开关的占空比是60%

通过时间开关非常容易的

我就可以设置一个电力电子开关的作用

下一个，我们在滤波电容 Co 上

直接串联一个电阻 Rcs

这样呢,我们可以直观的来模拟

电容的串联等效电阻

虽然直接在电容属性里面

也可以去设置串联等效电阻

但是另外来使用一个电阻来模拟

这样看起来更直观

我们二极管呢也选用了

导通压降更低的肖特基二极管，SD1

我们来讨论

串联等效电阻对输出电压纹波的影响

我们监测二极管的阴极电压 VF1

输出电压 Uo

和电感电流 iL

在这

其中 VF1，这个探测电压探测点

主要用来判断电感电流是否连续

如果电感电流连续

那么给电感提供电流支路的

要么是开关 SW1

要么是二极管

也就是说不是 SW1 通的

就是二极管通的

那么 SW1 导通

VF1 的电压就会是10V

如果二极管导通

VF1 电压就会是0V

也就是说如果 VF1 电压是完美的方波

则表示电感电流是连续的

我们看100mΩ等效串联电阻的时候

输出的纹波

输出电压这里是5.9几V

理论值是6V

好

根据60%占空比

输入10V，应该是6V

这是完美吻合的

那么输出电压的纹波呢

我们相减大概是30mV

这个纹波比较大

因为我们的等效串联电阻比较大

那么 VF1 上的电压是方波

这表明电感电流是连续的

我们再进一步的观察

电感电流和纹波电压

它们的形状是一样的

虽然量纲不一样

但它们形状是一样的

但它们形状是一样的

我们通过这个可以分析出

输出的纹波电压是什么引起的呢

是纹波电流

在输出电容上造成的电压起伏

电感电流的上升率和下降率是可以计算的

比如说我们看上升率

当开关闭合时候

电感电压是 E-Uo

它等于电感电压的表达式 Ldi/dt

那我们移项，就可以得到

电流的上升率是什么呢

就是 (E-Uo)/L

这三个量都是常数

所以是线性上升

那么当开关断开的时候

电感上电压是 -Uo

同样等于 Ldi/dt

那么我们可以得到

这里有一个负数

代表电感电流是下降的

它的斜率是 Uo/L

也是个常数

下面我们看10mΩ情况的输出纹波

明显变小

那么滤波电容的效果呢

与电路等效串联电阻直接相关

我们这个仿真，电容值没有变

只是变化了 Rcs

纹波就发生很大变化

这是因为电感上的波动电流

不仅仅对电容进行充放电

引起电压波动

而且它直接在这个等效串联电阻上

形成了压降

形成了压降

所以我们等效串联电阻越小

滤波效果越好

那么对于同种类的电容呢

电容值越大

这个电阻 ESR

也就是我们的 Rcs 就越小

而同容量的钽电容

我们经常听到一个钽电容

其实它也是电解电容

那么它的优势在哪呢

就是同容量的钽电容

ESR 要小于铝电解电容

差不多能有10倍的关系

我们进一步降低开关频率

我们把开关频率降到100k

那么这个时候呢

电流发生了断续

已经不是完美方波了

发生了振荡

那么振铃完成以后

这个地方

它的趋势呢

电压是接近于 Uo

我们看为什么

如果电感电流连续

VF1 要么被接到了 E 上面

要么被二极管接到地上

所以说应该是方波

但如果电感上没有电流了

这两个开关

二极管也是开关

两个开关都不导通

那么 VF1 在稳定以后

它就被接到了 Uo 上

那么开关频率

改变开关频率

为什么会对电流连续产生影响呢

这个也很好解释

因为当其他参数一定的时候

我电感电路的下降率是一定的

那么开关频率越低

也就是说你拖的时间越长

你以一定速度下降

总会把它降到零

所以开关频率足够低

电流一定会发生断续

我们进一步看纹波

我降低开关频率以后

等效串联电阻还是很小

但是我的纹波电压也达到了30mV

这是为什么呢

这就是因为开关频率变低导致的

我们说过纹波电压是纹波电流给电容充电

以及在等效串联电阻上压降产生的

那么你以一定的斜率

充放电这么一个纹波电流

充放电时间的越长

这个纹波电流峰值自然也就越大

所以我们在这里呢基本上

你等效串联电阻变小的效果

被频率降低的效果基本上就给抵消掉了

那么看输出电压

现在输出电压达到了7V

比理论值的6V要高

这个符合我们前面的分析

电感电流断续的时候

输出电压会变高

我们进一步降低开关频率

我们把开关频率呢

现在降到了20k

那么现在看的更明显了

输出电压现在到了9V多

偏离理论值更远

这也符合理论

那么 VF1 上电压经过短暂的振铃以后

趋近于这根线

这实际上就是这里的9V

直到开关再次闭合

回到这个地方10V

我们可以通过改变电感 L

来实现电感电流连续

我现在维持开关频率20kHz不变

但是呢，我把电感值加到了1mH

那么这时候我们看到完美方波

也就是说电感电流是连续的

那么这个道理很好解释

根据 uL 等于 Ldi/dt

我们可以推导出电流的斜率下降率

是和电感量成反比的

也就是说我电感越大

我的下降的斜率越慢

那么以此呢

我就越慢达到电流断续

以此呢实现电感电流连续

好，这节课就到这里