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    小功率反激拓扑的仿真方法研究

    电路一点通 ? 来源:电路一点通 ? 2023-07-27 09:44 ? 次阅读

    今天给大家分享的是小功率反激拓扑的仿真分析方法。

    作为一名硬件工程师,日常的原理设计,PCB layout,硬件调试等必不可少。不过现在市面上的电路仿真软件也越来越多样化,诸如Multisim,saber,Pspice,LTSpice,Proteus等等,这为前期电路方案的设计提供验证,同时节省了不少时间。

    本文给大家推荐ADI公司的LTSpice软件,该软件支持模拟信号数字信号的仿真,非常适合电源拓扑的仿真分析。

    反激拓扑是由Buck-Boost拓扑演变而来,通过变压器实现初次级隔离,这里原理就不阐述了。

    我们通过LTSpice搭建反激拓扑仿真电路,如下图。

    1.TNY280芯片介绍

    电源控制芯片采用PI公司的TNY280,内置700V功率MOS管,拥有可调限流、振荡器高压开关电流源以及热保护关断等功能。TNY280采用开/关控制方式,无需环路补偿,具有设计灵活,成本低,功率输出范围大等特点。

    TNY280通过BP/M引脚电容值可选择不同的电流限流点,电流限流点越高,峰值功率越高,同时连续输出功率也越高;电流限流点低,可以提高系统的效率。

    该芯片导通时间延长,可以在更低输入电压下维持输出的稳定/维持时间, 能够使用更低容量的输入电解电容,同时降低了最大过载功率,从而降低变压器、初级箝位及次级元件的成本。 TNY280具有频率抖动的功能,在轻载和重载情况下,灵活调整开关频率,在优化系统效率的同时,降低了EMI。 TNY280可选择使用Zener实现输出过压关断,可选择使用一个电阻来设置输入欠压保护阈值,此外高带宽提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应。

    2.原理设计分析

    现在阐述一下各部分电路的设计:

    1.变压器设计:变压器原边绕组电感量设置为350uH,次级电感量设置为16uH,漏感系数设置为0.98,基于Ae*Bm=n*Lp*Ip,选用EF20磁芯和骨架,Ae,Bm,n一定时,初级电感量较小时,原边峰值电流就较大,当TNY280限流点合理设置时,变压器不容易饱和。但初

    级绕组感量不能很小,否则变压器理论输出功率会变小,带载能力差。

    2.漏感吸收电路:一般分为RCD吸收和TVS吸收,两者的特点在于:RCD吸收电路将漏感能量通过RC的充放电形式进行消耗,EMI性能较好,但是效率较低;TVS吸收电路将漏感能量转换成热能的形式进行消耗,效率高,但是EMI性能较差。本次采用RCD吸收电路,其中R3和R5取值为100kΩ,C2取值1nF,D1和D2选用US1M(考虑极限电压应力需要2个US1M串联)。

    3.IC芯片外围电路:TNY280 EN脚接光耦的输出引脚,作为控制内部PWM通断的控制信号。BP脚为限流点设置管脚(典型值5.85V,最大值6.15V),C1电容值设置为0.01uF(数据手册中0.1uF对应限流点为750mA,1uF对应限流点为650mA,0.1uF对应限流点为

    850mA)。BP脚影响启动时间,仿真中需要缩短启动时间,否则仿真会出现卡顿不收敛现象。此外,增加R10 1000K上拉增加可靠性,通过6.2V稳压管D4 钳位保护。由于TNY280内置700V MOS管,考虑变压器漏感和反射电压等因素,需要外置MOS管Q1进行分压,减少TNY280的电压应力,提高系统的可靠性。采用的外置MOS管型号为STP8NM60(650V/8A),R6~R9取值为510K,为MOS管提供栅极电流,ZMY15稳压管U5为栅源极电压钳位,该电路能够使外置MOS管与TNY280同步开通和关断。U4和U6为TVS,为TNY280漏源极进行电压钳位,R13为TVS限流电阻,提高TVS使用寿命。U7为磁珠,改善原边电流尖峰,减小对外的EMI。

    4.TL431反馈设计:TL431内部基准电压为2.5V,本次设计需要满足12V±5%的精度,故上下分压电阻R2和R12分别设置为12K和3K,理论输出电压值为12.5V。TL431的环路补偿参数R4和C4设置为1K和10nF。光耦U2作为初次极的隔离。--TL431电路案例详解+工作原理+功能引脚图

    5.次级输出设计:半波整流二极管D3选用MUR460(600V/4A),滤波电路采用Π型的CLC滤波,其中电感L4取值为1uH,假负载R11电阻为750Ω,防止空载状态下,输出电压值过高。

    3.仿真设计参数性能

    电路实现的具体参数性能如下:

    1.输入电压:100-500VDC(宽电压范围)

    2.输出电压:12V±0.5%(输出精度高)

    3.输出平均电流:1A(带载能力)

    4.输出峰值电流:1.5A(负载突变瞬态响应)

    5.开关频率:50kHz-200kHz

    6.效率:70%左右(峰值效率80%)

    7.满足相关EMI标准要求

    4.仿真结果

    4.1基本电气参数

    输入 电压 参数 指标 常态负载 500mA 重载 1A
    500VDC 输出电压/电流 5cf83472-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5d1f43a0-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:12.3V~12.6V,输出电流:520mA 5d400978-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5d4d8fe4-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:12.3V~12.5V,输出电流:1.02A~1.05A
    漏源极电压 5d6b3f58-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5d8b8c72-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 峰值电压680V 5d97e864-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5db4388e-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 峰值电压740V
    原边电流 5dcee008-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 原边电流:0.88A,峰值电流:0.88A 5dde1942-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 原边电流:0.95A,峰值电流:1.22A
    开关频率和占空比 5dfa9cc0-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5e140674-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 开关频率:130.617KHz,开关周期:7.656s,导通时间:545.6ns,占空比7.13% 5e21a0ea-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5e3ff64e-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 开关频率:129.426KHz,开关周期:7.726s,导通时间:613ns,占空比7.93%
    100VDC 输出电压/电流 5e5fd536-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5e7c36ae-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:12.4V~12.6V,输出电流:520mA 5e9572cc-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5eb8e77a-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:11.8V~12.0V,输出电流:0.98A~1.00A
    漏源极电压 5ecb69c2-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5ee498de-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 峰值电压308V 5efc03b6-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5f0ba398-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 峰值电压 340V
    原边电流 5f2c0f52-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 原边电流:0.74A,峰值电流:0.74A 5f50fa7e-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 原边电流:0.8A,峰值电流:0.8A
    开关频率和占空比 5f64a2d6-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5f803474-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 开关频率:130.606KHz,开关周期:7.656us,导通时间:2.645us,占空比34.55% 5fa0dd6e-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png5fb189a2-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 开关频率:134.506KHz,开关周期:7.43us,导通时间:2.79us,占空比37.55%

    4.2负载突变

    5fcc2b7c-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png

    输入电压 负载突变
    100VAC 602162a4-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:11.5V~13.6V,突变电流峰值为1.5A
    500VAC 602e1be8-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png 输出电压:11.6V~13.5V,突变电流峰值为1.5A

    4.3效率分析

    6054b528-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png

    输入电压 效率分析和曲线图
    100VAC 60969aba-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png60b5cbb0-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png
    500VAC 60d88d9e-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png60f7a256-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png



    4.4 EMI分析



    (传导频段:150kHz~30MHz,辐射频段:30MHz~1GHz)

    注:辐射频段30MHz~1GHz电脑CPU算力不足,无法仿真

    传导满足EN55022标准

    输入电压 EMI波形分析
    100VAC 610c71ea-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png
    500VAC 6127dbe2-2bac-11ee-a368-dac502259ad0.png

    5.总结


    本文使用ADI公司的LTSpice软件,基于常规的小功率反激拓扑,进行基本电气参数、负载突变、效率、EMI等性能的分析,对于后期的硬件验证具有较好的指导意义。

    总之,LTSpice非常适合电源拓扑的仿真分析,硬件工程师们还是有必要掌握的。

    *本文投稿人/作者: 闲云野鹤

    审核编辑:汤梓红

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