理想二次电源设计方法

1背景

70年代中期以来，无工频变压器开关电源技术风靡欧、美、日等世界各国。特别是90年代以来，通信业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。最初的开关电源开关频率在20kHz左右，略高于最高音频，不会给人们带来讨厌的噪声。随着电力电子技术的迅速发展，高频化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信电源领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流/直流（DC/DC）变换器称为二次电源。

在传统的电源设计中，从用户的要求到实际电路的设计都需要很长的过程。 为了解决传统电源设计周期的不足，美国(MICROSIM)公司和国家半导体公司(NS)开发了一种新颖的在线电源设计系统(Websim)，为我们提供了一种理想的二次电源设计方法。

2传统的电源设计方法与基于Internet电源设计方法的比较

2.1通信用高频开关电源

通讯电源是将城市电源提供的单相或三相交流电电压转换成标称值为24至48伏特的直流电源。在存储式程控交换机中，传统的相控稳压电源已被高频开关电源所取代。高频开关电源(又称开关整流器)通常采用大功率高频开关器件 mosfet 或 igbt，开关频率一般控制在50ー100khz 之间，初步实现高效率和小型化。[3]近年来，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量由48v/12.5 a 和48v/200a 扩大到48v/200a 和48v/400a。

通信设备中所用集成电路的种类繁多，其要求的供电电压也各不相同。在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块，从中间母线电压（一般为24V至48V直流）变换成所需的各种直流电压。这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增容非常方便，一般都可直接装在标准控制板上。对二次电源的要求是高功率密度，因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。［2］

开关控制电源中通过DC/DC变换器将一个企业固定的直流工作电压变换为可变的直流系统电压。目前，通信设备电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块可以采用高频PWM技术，开关使用频率进行一般在500kHz以下，功率密度为5W～20W/in3。且用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20～30）％。在开关电源中直流斩波器不仅起调压的作用，同时还起到积极有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。随着我国大规模应用集成设计电路的发展，要求学生电源管理模块需要进一步小型化，因此我们就要开始不断努力提高安全开关频率和采用新的电路网络拓扑结构，目前研究已有学习一些自己公司产品研制开发生产了采用零电流开关和零电压开关信息技术的二次电源功能模块，功率密度有了较大变化幅度的提高。［4］

2.2网上电源设计与传统的电源设计方法的比较

（1）传统的电源设计

表1传统的功率确认框根据所选电路部件和电路配置参数所需的电路设计参数;等用于在分析之前获得的计算机，输入和输出波形模拟或Pspice的EleCTRonicworkbench CAD软件。这种方法是相对简单的，但也有其固有的缺点，如：

①设计一个周期比较长，稍为复杂以及一些、功率容量大一些的开关电源，从元器件可以选择、参数分析确定，计算机系统仿真、调试到完成教学设计工作投入企业生产，一般要经过数个星期甚至数月的时间；

②CAD软件元件库更新速度不够，目前电子技术发展迅速，与一般仿真软件有一定的滞后性；

3 cad 软件使用不方便，一般电路设计软件使用较复杂，用户的要求较高，在仿真过程中稍加注意就不会出现收敛现象等;

④如果计算机电源设计人员配置不够高，我们需要一个比较长的时间的模拟。

（2）基于Internet的电源设计方法及其特点

MICROSIM与NS合作，开发了学生网上电源模块设计一个系统（Websim），它是国际上半导体工业的第一个主要用于电源技术管理制度设计的综合利用网上信息资源，该设计分析系统的功能可以包括元器件选择、电路结构设计、演示板定购和在线样本仿真，其优点是：

由于设计周期短，Websim在输入电压要求后直接给出电路，节省了用户设计电路拓扑和计算电路参数，只需要对典型对典型的应用电路进行轻微的改变，就可以在很短的时间内完成电源设计；

②节约企业投资管理用户信息可以通过使用网站上提供的超级计算机和仿真分析软件系统完成一个电源的设计研究工作，消除了对昂贵软件和工作站的依赖。既保证了计算的精度，也节约了设计的成本；

3使用简单直观的 websim 对用户的要求并不高。用户只需对开关电源电路有一定的了解，对每个主节点的波形有一定的概念，就可以设计出满足要求的电路，不需要对复杂的模拟软体有深入的理解。

3Webench工具软件及其应用示范

WEBENCH是由设计工程师使用的电动工具，它具有Websim功能，它提供了一个互动的工具可以选择，模拟和订购样品，实现节省时间的电源设计。 Websim是一个类似浏览器的仿真工具。它可以实现以下功能：

（1）供电线路进行性能的实时信息反馈；

（2）能够获得稳定状态（SteadyState的），启动（开始

Up）、线路进行瞬时速度响应（LineTransientResponse）、负载以及瞬时频率响应（LoadTransientResponse）、环路控制增益可以检测（LooPGAinMeasurement）和趋势分析预测；

（三）测量数据处理和波形显示。

以输入最小20v，最大22v，输出 + 5v (1a) ，+ 10v (0.5 a) ,-15v (0.2 a)的三输出 dc/dc 变换器为例，给出了典型的设计步骤。

3.1从Power.naTIonal.com获取信息

首先在浏览器的地址栏中键入：Http://power.naTIonal.com选择Webench。假如用户是第一次登陆，系统会要求输入一个电子邮箱地址作为帐号，并发出一封确认信，通过了身份确认后，就可以使用该网站了。网站会给每个正式用户分配一个“MyWebench”的磁盘空间，用于存储个人仿真、设计材料单和在线元器件分布和演示板。以后用户可以通过个人化“MyACCount”，获取个人帐号的所有信息，如ChangePassword等功能。

3.2用soluTIonselector选择元器件

（1）正确进行登陆Webench后，会有这样一个对话框，要求学生用户在各栏上设定开关电源的各项活动设计要求值，包括企业设定电源的输入信号电压达到最大值和最小值、环境以及温度不断变化影响范围、开关电源的各组数据输出电压和电流值等。本例要求是我们设计作为一个单输入，三输出的Flybach型开关电源。

（2）设计要求提交后，会自动列出NS所生产的、能够构成符合输出要求的各种PWM集成芯片和设计要求的确认框，如表1所示。

1LM2585内部框图（图从该网站下载MICROSIM）

图2三路输入输出控制电路图（此图由MICROSIM网站进行下载，未做格式数据处理）

通过从该网站上得到的LM2585的Datasheet，可以自己知道LM2585的内部进行构造如图1所示，电路产业结构更加符合教学设计的要求。于是需要我们应该选择LM2585，提交后会导致出现问题如表2所示对话框。

选择三个输出，+ (out1) ，+ (out2) ,-(out3)电路，并提交它，如图2所示。在电路中，元件的参数可以改变以达到所需的电路性能。

3.3电路参数设定后，就可以从ControlPanel中选择要测量的电路状态进行仿真了。

仿真结束后，只需将鼠标移到可得到该点电压波形；将鼠标移到可得到该点电流波形。电路元器件参数分析可以实现随时发生改变以达到自己所需的电路系统性能。如果使用性能更加符合社会要求，即可以确定电路的参数，进行教学实际的研究、试验后，最终没有形成一个产品。

在图中所示的电路。 2，稳态选择电路（SteadyState的）仿真。之后，我们测量输出电压（VOUT1，Vout2的，VOUT3），以获得图输出波形。 3，这是一个测试值成如表3所示，可知以满足设计要求。

无花果。 逐步分析输出电压的平均值和纹波。

表3输出测试值

测试内容最小值（V）最大值（V）峰峰值（V）平均值（V）

Vout14.994775.028210.0334401135.009251

Vout29.802889.924260.121379859.865706

Vout3－15.0283－14.96730.06099987－14.99307

4小结

由上面的分析问题我们教师可以明显看出，本文所叙述的这种通过网上电源系统设计与传统的电源设计方法相比较，有着非常显著的优点。这种电源设计方面也有其缺点，即元器件的选择有较大的限制。但是其将传统的电源设计与Internet结合的思想却是一个值得学习借鉴的。相信在不久的将来，随着社会越来越多的集成芯片厂商采用这种教学方式需要进行处理电路设计，必将对广大学生用户的设计和生产企业带来影响极大的方便。

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