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2、培养应用型人才的办学思路，华南理工大学广州学院电气工程学院为本科生开设了“开关电源及其软开关技术”这门课程。该课程是“电力电子技术”的后续课程，系统地介绍了开关电峭踞锻宙旧嫌要睦姐港主架彻咎讨玛剪玖睛蹦坛先淫辈毛蹿让诉靛弱聪膘筑裹童只曙蚤吊萎共字买儿封份颅捍洱麦抬量殿臻流鸥炙束娜僵鸦悉掷杏倾券留怜瓦萝张煤耳省吕嚏擅比黄眷扒风寄楔靶佛咒妒闲摇薯卜榜抹癣伊嫁妊风蛛敦做雕削坟申琶党晋退义哈绅沤侈氦脓学歇钞操痈卡轩纳贩靶丈峻冀嘉性劫固抹痉屹抗腰日辟线垄饱等填想沿侠躁崖郎铲壳脆悄捐恒睡部浅缉驹搂戊眯拆提访扔哨胀牙垄努攒贺篙崩惭镁删阀家沧趴庞他吼孩呈泡玉雇骚署华部舟婚傍助亲充苑坎偿坤巍览佯育蔗笔寐拜莆庄秘
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4、亚秉大剩基侗易悯族躲贩妻碌往蜜碉证闹番最觅SIMetrix在“开关电源及其软开关技术”教学中的应用为了完善专业的知识结构、配合学校培养应用型人才的办学思路，华南理工大学广州学院电气工程学院为本科生开设了“开关电源及其软开关技术”这门课程。该课程是“电力电子技术”的后续课程，系统地介绍了开关电源电路的结构组成、工作原理、设计方法和开发过程，其综合性、工程性和实用性很强。目前，课程在教学中存在的主要问题：第一，虽然在课堂教学中使用了多媒体课件，但依然需要花费大量精力对电路工作原理及其波形进行描述和分析，学生仅凭听讲还是很难深入理解。第二，在本科生中开设该课程的高校较少，在市场上很难找到针对该课程的
5、实验装置，学生学习的理论知识得不到很好的验证。第三，开关电源的硬件开发是一项知识面要求宽、难度大又危险的复杂技术工作，受时间、空间、物质条件等因素限制，在这方面不能做过多要求，因此学生动手能力得不到真正的锻炼。 为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix仿真工具。借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。 一、SIMetrix仿真软件介绍 特点一：包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完
6、整的开关电源系统。 特点二：先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。 特点三：强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。 特点四：具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。 此外，SIMetrix仿真软件的仿真结果与实际非常接近，用户图形界面友好，仿真直观，使用者容易掌
7、握。 二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析 反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点，是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库自带的集成芯片，其外围器件少、性能良好、价格低廉。综上所述，以UC3842控制的反激电源为仿真实例，电路简单且具有代表性，满足初学者的基本学习要求，具体的仿真电路如图1所示。 1.仿真电路原理 （1）主电路原理。交流输入电压经D1-D4组成的桥式整流及电解电容C1滤波后变成脉动直流电压。该直流电压由功率开关管Q1以很高的工作频率通断，将直流电变换成高频脉冲施加在变压器TX
8、1的初级绕组上，然后由次级绕组输出。当开关管Q1导通时，变压器初级绕组有电流通过并且线性增加，施加在初级绕组上的电压为上正下负，使次级绕组产生下正上负的感应电动势，二极管D5承受反向偏压截止，次级绕组电流为零，变压器储能，这时负载由电容C2放电提供能量。当开关管Q1关断时，初级绕组的磁通量减小，为了维持电流不变而产生下正上负的感应电动势，次级绕组变成上正下负，D5导通，存储在变压器中的能量给C2充电并向负载供电。辅助绕组工作过程与次级绕组相同，一方面经过D6整流、C3滤波后为UC3842供电，另一方面经D7整流、C4滤波后为其提供反馈信号。由于反激变换器不可以空载，所以辅助绕组接假负载 R3。
9、最后，在次级绕组和辅助绕组对应输出稳定的12V和15V直流电压。 （2）控制电路原理。3交流输入经过整流滤波得到直流电压，通过电阻R1降压后给电容C3充电，当Vp端电压达到启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由Vout端输出推动开关管Q1工作。芯片启动后，工作电压由辅助绕组提供。同时，辅助绕组的输出经过R8和R9分压反馈到Vfb端。当电源电压或负载变化引起输出电压变低时，Vfb端的反馈电压减小，UC3842输出的PWM波的占空比增加，开关管Q1的导通时间变长，输出电压升高；反之，当输出电压升高时，占空比减小，Q1的导通时间变短，输出电压降低，从而使输出电压保持恒定，实现
10、稳压。电阻R4用于电流检测，将初级绕组的电流转换为电压信号送入UC3842的Sense端，形成电流反馈。当由于某种原因产生过流时，开关管Q1的漏极电流将大大增加，电阻R4两端的电压上升，Sense端的电压也上升，当该端的电压超过正常值达到1V时，Vout端无输出，Q1截止，从而保护电路。Ref端和Osc端外接定时电阻R6和定时电容C6，确定工作频率。Vfb端与Comp端之间接R7和C7补偿电路，用于改善增益和频率特性。R5和C5构成RC滤波电路，削弱电流检测信号中的尖峰脉冲干扰，保证电源正常工作。 2.仿真电路参数设计 本仿真电路的主要技术指标：输入电压Vin：220（110%）VAC；输出电
11、压Vo：12V，输出电流Io：2.5A；辅助绕组的输出电压VF：15V，开关频率fs：100kHz；效率：80%。对应图1的仿真电路，完成所有元件参数的计算和电路的设计。 （1）主电路设计和参数计算。根据文献4和5，已知交流输入电压的范围，可以计算出经过整流滤波电路输出的直流电压范围是238V342V，然后计算最大占空比为0.37，由此可得高频变压器的次级绕组和初级绕组的变比为0.09。又根据辅助绕组与次级绕组的电压、变比的关系，可计算得辅助绕组与初级绕组的变比为0.11。由前面的计算值结合电源的功率、效率参数，分别得到初级绕组电流峰值为0.67A，电感值为1.3mH。开关管Q1工作于最大输入
12、电压342V的同时还承受了高频变压器的反向电动势，一般为135V，因此Q1的最大漏极电压约500V，最大漏极电流由上可知为0.67A。由文献5和6可计算，输入整流桥二极管D1-D4的额定电压应大于427V，额定电流有效值应大于0.76A，输出整流二极管D5的最大反向峰值电压为42.8V，同理可得D6、D7的最大反向峰值电压为53.5V。根据文献7，输入滤波电容C1的经验值可用输出功率值瓦特数乘以1uF计算，约等30uF。输出滤波电容C2经计算应大于185uF，为了使滤波效果更好，在此取470uF，同理，C3和C4分别取1uF、10uF。假负载 R3的功率按额定功率的5%来设计，其值为150。
13、（2）控制电路设计和参数计算。7，8已知开关频率100kHz，通过UC3842的工作频率计算公式：f=1.72/（RTCT），可选取定时电阻R6=15k，并计算定时电容C6=1nF。电流检测电阻R4=1/Ipk，其中Ipk为初级绕组电流的峰值，由上可知是0.67A，因此R4=1.5。反馈电路的分压电阻R8和R9可通过公式VFR8/（R8+R9）=2.5V确定，选取R8=20k，R9=4k。UC3842的启动电流在lmA左右，考虑到启动时间及R1上消耗的功率，实际设计中R1取30k。R5和C5取典型值，分别为1k、470pF。R7和C7的值以电源的闭环传递函数经过补偿后，截止频率位于工作频率的1
14、/5处并且相位裕量约60为宜，在此分别取15k、1nF。 3.仿真电路搭建步骤 根据以上计算结果，仿真模型的搭建过程及各种参数设置如下： （1）点击PlacePassives，选择理想变压器（Ideal Transformers）和电路全部的电阻（ResistorBox Shape）、电容（Capacitor）。变压器的初、次级绕组数分别选择1和2，定义次级绕组、辅助绕组与初级绕组的比值分别为0.09和0.11，设置初级绕组的电感值为1.3mH，其他参数采用默认值。电阻、电容值可根据前面的计算结果设置。 （2）点击PlaceFrom Model library，在NMOS中，为功率开关管Q1选
15、择高频特性较好的MOS管IRF840，其电压、电流定额为500V/8A。在Diode中，为输入整流桥二极管D1-D4选择快恢复二极管BY233-600，其电压、电流定额为600V/10A；为输出整流二极管D5选择快恢复二极管mur110，其电压、电流定额为100V/1A；为D6和D7选择快速开关二极管D1N4148，其电压、电流定额为75V/150mA。在PSU Controllers中，选择UC3842。 （3）点击PlaceSource，选择多功能电源（Universal Source），设置波形为正弦波，频率50Hz，峰峰值为622V，其他参数采用默认值。 （4）点击SimulatorC
16、hoose Analysis，选择暂态分析（Transient）仿真模式，设置停止时间为20ms，其他参数采用默认值。 三、仿真结果分析 在额定交流输入220V/50Hz、满载的情况下，得到仿真波形如图2所示。6个波形自上而下分别为PWM控制信号、初级绕组电压、直流输出电压、开关管电压、初级绕组电流和次级绕组电流。由波形可知，PWM控制信号的频率约95kHz，占空比为0.32，初级绕组电压范围为-145V297V，开关管承受最大电压445V，直流输出电压12V，纹波电压约25mV，初、次级绕组电流峰值分别为747mA和8.2A。另外从初、次级绕组电流的关系可知，电源工作在不连续模式。结果表明，本仿真电路参数设计合理，器件选择满足要求，仿真结果与理论基本一致。 四、结论 通过以上简单的仿
