一種新穎的開關電源設計方法

70年代中期以來，無工頻變壓器開關電源技術風靡歐、美、日等世界各國。特別是90年代以來，通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了開關電源的發(fā)展。最初的開關電源開關頻率在20kHz左右，略高于最高音頻，不會給人們帶來討厭的噪聲。[1]隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，高頻化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信電源領域中，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)的電源設計中，從用戶需求的提出到實際電路的設計定型要經(jīng)過一個較長的過程。為了解決傳統(tǒng)的電源設計周期長的缺點，美國（MICROSIM）公司和國家半導體公司（NS）合作開發(fā)了一套新穎的網(wǎng)上電源設計系統(tǒng)（Websim）,并在其網(wǎng)站http://Power.national.com上發(fā)布，為我們提供了一個比較理想的二次電源設計方法。

2傳統(tǒng)的電源設計方法與基于Internet電源設計方法的比較

2.1通信用高頻開關電源

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

通信設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，且安裝、增容非常方便，一般都可直接裝在標準控制板上。對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]

開關電源中通過DC/DC變換器將一個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，開關頻率一般在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）％。在開關電源中直流斬波器不僅起調(diào)壓的作用，同時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，要求電源模塊進一步小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu)，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有了較大幅度的提高。[4]

2.2網(wǎng)上電源設計與傳統(tǒng)的電源設計方法的比較

（1）傳統(tǒng)的電源設計

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

①設計周期比較長，稍為復雜一些、功率容量大一些的開關電源，從元器件選擇、參數(shù)確定，計算機仿真、調(diào)試到完成設計投入生產(chǎn)，一般要經(jīng)過數(shù)個星期甚至數(shù)月的時間；

②CAD軟件的元件庫更新速度不夠，當前電子技術迅猛發(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，一般的電路設計軟件的使用都比較復雜，對使用者的要求比較高，仿真過程中稍不注意就會出現(xiàn)不收斂等問題；

④如果電源設計者的計算機配置不夠高，進行一個仿真就需要比較長的時間。

（2）基于Internet的電源設計方法及其特點

MICROSIM與NS合作，開發(fā)了網(wǎng)上電源設計系統(tǒng)（Websim），它是國際上半導體工業(yè)的第一個用于電源管理設計的綜合網(wǎng)上資源，該設計系統(tǒng)的功能包括元器件選擇、電路設計、演示板定購和在線樣本仿真，其優(yōu)點是：

①設計周期短由于Websim是在輸入電壓要求之后直接給出電路，省去了用戶自己設計電路拓撲和計算電路參數(shù)的環(huán)節(jié)，并且只需在所給的典型應用電路上稍作改動即可得到所需的電路，因此使得電源設計可以在很短時間內(nèi)完成；

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

③簡便直觀Websim的使用對用戶沒有很高的要求，使用者只需對開關電源電路有一定的認識、各主要節(jié)點的波形有一定的概念，就可以設計符合要求的電路，不需對復雜的仿真軟件有很深的認識。

3Webench工具軟件及其應用示范

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

（1）供電線路性能的實時反饋；

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

Up）、線路瞬時響應（LineTransientResponse）、負載瞬時響應（LoadTransientResponse）、環(huán)路增益檢測（LoopGainMeasurement）和趨勢預測；

（3）測量數(shù)據(jù)處理和波形顯示。

以一個輸入為最小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，給出典型的設計步驟。

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)會要求輸入一個電子郵箱地址作為帳號，并發(fā)出一封確認信，通過了身份確認后，就可以使用該網(wǎng)站了。網(wǎng)站會給每個正式用戶分配一個“MyWebench”的磁盤空間，用于存儲個人仿真、設計材料單和在線元器件分布和演示板。以后用戶可以通過個人化“MyAccount”，獲取個人帳號的所有信息，如ChangePassword等功能。

3.2用solutionselector選擇元器件

（1）正確登陸Webench后，會有一個對話框，要求用戶在各欄上設定開關電源的各項設計要求值，包括設定電源的輸入電壓最大值和最小值、環(huán)境溫度變化范圍、開關電源的各組輸出電壓和電流值等。本例要求是設計一個單輸入，三輸出的Flybach型開關電源。

（2）設計要求提交后，會自動列出NS所生產(chǎn)的、能夠構(gòu)成符合輸出要求的各種PWM集成芯片和設計要求的確認框，如表1所示。

圖1LM2585內(nèi)部框圖（此圖由MICROSIM網(wǎng)站下載）  [!--empirenews.page--]

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)符合設計的要求。于是我們選擇LM2585，提交后會出現(xiàn)如表2所示對話框。

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

3.3電路參數(shù)設定后，就可以從ControlPanel中選擇要測量的電路狀態(tài)進行仿真了。

仿真結(jié)束后，只需將鼠標移到可得到該點電壓波形；將鼠標移到可得到該點電流波形。電路元器件參數(shù)可以隨時改變以達到所需的電路性能。如果性能符合要求，即可以確定電路的參數(shù)，進行實際的研究、試驗后，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)進行仿真。結(jié)束后，我們測量輸出電壓（Vout1，Vout2，Vout3），得到如圖3的輸出波形，為進一其測試值如表3所示，可知滿足了設計要求。

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輸出測試值

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