基于Multisim的节能型恒流开关电源电路设计

林境泽

（广东天银实业有限公司，广东 揭阳 522000）

基于Multisim的节能型恒流开关电源电路设计

林境泽

（广东天银实业有限公司，广东 揭阳 522000）

通过对恒流开关电源的系统框图分析，阐述了恒流输出原理和实现方法；应用Multisim电路仿真软件对电路进行仿真测试，结果表明：恒流开关电源的输出电压、输出电流和输出功率等各项指标均达到设计要求，电源的工作效率达到81.1%，节能效果好。

节能型；恒流；开关电源

Abstract:On the analysis of the system block diagram of constant current switching power supply, this paper expounds the principle of constant current output and the implementation method; Using Multisim circuit simulation software to simulate the circuit testing, the results show that all the indexes of the constant current switch power supply meet the design requirements ,such as output voltage and output current and output power, which the power efficiency is 81.1% with good energy-saving effect.

Keywords: Energy saving; Constant current; Switching power supply

CLC NO.: TP17 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-07-03

前言

开关稳压电源简称开关电源(Switching Power Supply)，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性[1]。开关电源因其高效节能引起社会各方面的重视，现已成为通用开关电源、专用开关电源及特种开关电源优选集成电路，广泛应用在诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、VCD、电子游戏机等电子设备上。本文通过对恒流型开关电源的整体电路原理分析，应用Multisim仿真软件进行功能仿真验证，设计出一款节能型单端正激开关稳压恒流电源[2-4]。

1 恒流开关电源原理分析

1.1 恒流开关电源系统框图

图1给出了恒流开关电源的系统框图，由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、稳压恒流电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，通过滤波器把多余杂波给滤掉。稳压恒流输出电路目的是为负载提供一个恒流电流。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。整体电路是将频率为50Hz、220V交流电压经过主电路输入整流与滤波、变压器、整流、续流与滤波、稳压电路恒流流电路转换成稳定的直流电压，输出恒定直流电流。

图1 恒流开关电源的系统框图

1.2 恒流输出原理分析

任何电源要实现恒流功能，均需对电源的输出电流进行检测取样，与电流设置值即参考值进行比较，经负反馈放大调节（P、PI、PID）。线性串联稳压是调节调整管的压降，而开关电源是调节变换器的脉宽（或占空比），维持输出电流的恒定。

图2给出了恒流控制反馈系统图，Iref是电流设置基准；CR是电流PI调节；Kfi是电流取样反馈系数；RS、Ro是电流取样电阻和负载电阻。该系统采用是电流模式控制，可以检测变换器输出电流，适当地选取反馈系数Kfi，通过P（比例）、PI（比例积分）、PID（比例积分微分器）实现恒流控制。在反馈系数不变情况下，也可以通过改变电压或电流实现恒流值控制。

图2 恒流控制反馈系统图

图3 恒流输出电路

恒流输出电路是采用集成稳压器构成的开关恒流源电路构成如图3所示。MC7815为三端固定式集成稳压器，RL为LED二极管负载电阻，RW为可调电阻器。

固定式集成稳压器工作在正常状态，在输出2和公共端3之间接一电位器RW，从而形成一固定恒流源。调节RW，可以改变电流的大小，其输出电流为：

式中Iq为MC7815的静电流，小于10mA。当RW较小即输出电流较大时，可以忽略Iq。当电路中电压或者是负载发生变化时，MC7815用改变自身压差来维持通过负载的电流不变的。

设RW=1~15Ω时，那么它输出恒定电流变化范围：

可以实现10A恒流输出的。

2 恒流开关电源电路仿真

2.1 仿真原理图

现在计算机仿真技术的高效、高精度、高经济和高可靠性，倍受人们的重视。应用仿真技术可以减少设计费用和设计时间，并改进电力电子电路的可靠性。Multisim仿真软件是一项功能强大的电路仿真软件，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等强大功能，帮助设计人员分析电路的合理性。图4给出了单端正激开关稳压恒流电源仿真原理图，输出电压反馈形成单闭环控制的[5]。

图4 电路仿真原理

2.2 仿真测试

仿真电路输入交流电为220V，如图5(a)所示启动仿真分析，通过虚拟仿真仪器，可得到恒流开关电源的各项测试指标。图5(b)、5(c)分给出了功率开关管出发脉冲波形和输出稳压波形，表1、表2列出了变压器整流后二次直流电压和恒流输出电流大小，表3、表4分别列出了开关电源的输入功率和输出功率。

图5 仿真波形

表1 整流后二次直流电压

表2 开关电源的输出电流

表3 开关电源的输出功率

表4 开关电源的输出功率

故恒流开关电源的工作效率为：

通过对整体电路的功能和典型性能参数进行了仿真验证，本文设计的恒流型开关电源能达到稳定的输出电流，仿真结果达到预定指标，开关电源工作达到 81.1%，远高于线性电源，具有很好的节能效果。

3 结束语

开关电源因其高效节能，现通用开关电源、专用开关电源及特种开关电源均优选集成电路，以后开关电源将向更小体积、更少电磁污染、具有可靠的过电压及过电流保护方向发展发展，特别是在驱动LED恒流开关电源、DSP数字化开关电源方面，具有很大研究价值。

[1] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京:电子工业出版社,2004.

[2] 司明. 一种开关电源PWM控制电路设计[D]. 辽宁大学硕士论文,2013.

[3] 朱剑. LED 恒流驱动开关电源的研究与设计[D]. 浙江理工大学硕士论文, 2015.

[4] 刘梦坷,唐海洋. 单端反激式开关电源的设计[J]. 电子设计工程,2017(1):175-178.

[5] 李葳, 殳国华. 基于MULTISIM的反激式开关电源的仿真[J]. 电气自动化, 2010(3): 26-28,45.

Circuit Design of Energy-saving Switching Power Supply with Constant Current Based on Multisim

Lin Jingze
（Guangdong tianyin industrial co. LTD, Guangdong Jieyang 522000 )

TP17 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-07-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.003

林境泽（1990-），男，助理工程师，主要从事电气自动化技术工作。