20世紀50年代，美國宇航局以小型化,、重量輕為目標,，為搭載火箭開發(fā)了開關電源。在半個多世紀的發(fā)展過程中,，開關電源因具有體積小,、重量輕、效率高,、發(fā)熱量低,、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代由傳統技術設計制造的連續(xù)工作的線性電源，并廣泛用于電子,、電氣設備中,。20世紀80年代，計算機全面實現了開關電源化,，率先完成了計算機的電源換代。20世紀90年代,，開關電源在電子,、電氣設備以及家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發(fā)展期,。

Cadence旗下的PSpice是一款電路仿真軟件,，能夠對復雜的模數混合電路進行仿真，而且開關電源也不例外,。

1 升壓變換器拓撲結構

升壓變換器屬于間接能量傳輸變換器,。供電過程包含能量的存儲和釋放兩方面。如圖1所示,，Vclock是脈沖信號源,，提供PWM電壓，用以功率開關S1的導通與截止,。Rsense為電流取樣電阻,，Resr為電容的等效串聯電阻。在開關S1導通期間,，二極管D1截止,，電感儲存能量，輸出電容單獨為負載提供電能。在開關S1斷開期間,，二極管D1導通,，儲存了能量的電感與輸入電源串聯，為輸出提供電能,，其中一部分轉移到電容C1里,。

1.1 工作于CCM條件下的升壓變換器波形

對圖1所示電路，借助PSpice進行仿真,，獲得如圖2所示的波形圖,。這是典型的電感電流連續(xù)導通模式（CCM）。

變壓器" />

圖1 基礎升壓變壓器結構電路

圖2 工作于CCM條件下的Boost變換器波形

曲線①代表PWM波形,，用于觸發(fā)功率開關導通或斷開,。當開關S1導通時，公共點SW/D電壓幾乎降到0.相反,，當開關S1斷開時,，公共點SW/D電壓增加為輸出電壓和二極管的正向壓降之和，如曲線②所示,。曲線③描述了電感兩端電壓的變化,。高電平期間，電感左側電壓為Vin,右側幾乎為0,對應功率開關導通,；而低電平期間,，電感左側電壓仍為Vin,而右側突變?yōu)閂out,因為功率開關截止，同時二極管導通,，此時對應電感電壓為負值,，這就意味著輸出電壓大于輸入電壓。

電感電路在平衡時,，電感兩端電壓平均值為0,即電感的電壓時間平衡,。也就是圖中陰影部分面積S1=S2.假設D為PWM的占空比，TSW為開關周期,。則

整理得到

可見,，在理想情況下，D越接近1,輸出電壓將趨于無窮大,。實際上,，只要輸出一定的電流，就難以得到傳輸系數超過4~5的升壓變換器,。

曲線④為電感電流波形,。可以看到電感電壓雖然出現了跳變,，但電感電流仍然是連續(xù)的,。

曲線⑤是輸出電壓波形,，也是電容電壓?？梢钥吹交謴图夥逡约半妷杭y波,。若考慮輸出電容的ESR,則相對紋波為

曲線⑥是輸入電流，明顯它是連續(xù)的,。

1.2 工作于臨界導通模式下的電感電流

當電感電流紋波降到0時,，功率開關S1立即閉合，電感電流又向上增大,。如圖3所示電感電流處于臨界點的電流變化,。此時，電感電流平均值即對稱三角形的電流平均值為最大值的1/2.即

假設效率為100%,則有

聯立以上兩式,，可得R和L的臨界值

圖3 電感電流處于臨界點的電流變化

2 PWM開關模式

1986年前后,，脈寬調制（Pulse Width Modulation,PWM）開關模式被提出，先后出現了電壓模式和電流模式,。電流模式是目前常用的控制方法之一,。

2.1 電流模式及其不穩(wěn)定性

電流模式檢測電感電流和開關電流，并在逐個脈沖的基礎上同誤差放大器的輸出進行比較,，控制PWM脈寬,，由于電感電流隨誤差信號的變化而變化，從而更容易設置控制環(huán)路,，改善了線性調整率,。

在CCM條件下，占空比超過50%時,，電流模式存在固有不穩(wěn)定性,，也稱為次諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性與穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無關,，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作所引起。圖4（a）顯示了這種現象,，在t0時刻,，開關開始導通，使電感電流以斜率m1上升,，t1時刻,，電流取樣輸入達到由控制電壓建立的門限。這導致開關斷開,，電流以斜率m2衰減,，直至下一個振蕩器周期。如果有一個擾動加到控制電壓上,，產生一個小的△I,在一個固定的振蕩器周期內,，電流衰減時間減少，最小電流在開關接通時刻t2,上升了△I+△I*m2/m1.最小電流在下一個周期t3減小至（△I+△I*m2/m1）m2/m1.如果m2>m1,這樣擾動經過幾個開關周期的逐漸積累后，就會出現占空比一大一小的現象,，即發(fā)生了次諧波振蕩,。圖4（b）顯示了通過在控制電壓上增加一個與脈寬調制時鐘同步的人為斜坡，該斜坡的斜率如果≤m2/2,才能使得電感電流跟隨控制電壓,，達到真正的電流模式工作,。

圖4 連續(xù)電流波形圖

2.2 高性能電流模式控制器UC2843簡介

UC2843是一種電流型脈寬調制電源芯片，價格低廉,，廣泛應用于電子信息設備的電源電路設計,，常用作反饋式開關電源的控制電路。UC 2843工作電壓為8.5~36 V,是專為離線和DC-DC變換器應用而設計,，提供了只需少量外部元件就能獲得低成本高效益的解決方案,。具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制,、溫度補償的參考電壓,、高增益的誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出,，是驅動功率MOSFET的理想器件,。其它的保護特性包括滯后式欠壓鎖定，低壓鎖定門限為8.5 V（通）和7.6 V（斷）,，還有逐周電流限制,、可控輸出靜區(qū)時間等。

圖5所示為UC2843的內部框圖,。

圖5 UC2843的內部框圖

3 升壓型開關穩(wěn)壓電源設計

電源的技術指標為：輸人標稱12V,動態(tài)范圍9~18V,輸出24V,Io為1A,頻率為300kHz,輸出電壓精度為1%.設計電路如圖6所示,。

圖6 12V-24V升壓變換器電路

3.1 元件參數選擇

（1）儲能電感。

在保證電感電流連續(xù)模式前提下,，電感值應滿足

其中,，Vs為為開關管導通時漏極電位。假定電路在額定輸出時,，電感紋波電流為平均電流的30%,即

故,，電感值可取

綜合考慮，電感可取50~150μH.

（2）其它元件參數選擇,。

為得到300 kHz的工作頻率,，選擇RT電阻為27 kΩ，CT為220 pF.UC2843內部腳2為誤差放大器的反向輸入端,，正向輸入基準為2.5 V,可知輸出電壓為Vo=2.5（1+R1/R2）,，由此可確定輸出取樣電阻R1和R2值分別8.7 kΩ和1 kΩ。開關管,，由于工作在大電流狀態(tài),，且頻率為300 kHz.應選擇Rds小的功率開關MOS管,。輸出二極管應選擇快恢復二極管以保證開關的正常工作。輸出電容是一個重要的儲能元件,，所以應選用100μF及以上的電解電容,，其余元件參數如圖6所示。為防止次諧波振蕩,，特加入了由Q1組成的斜坡補償電路,。

3.2 電路模擬仿真

運行PSpice仿真，得到如圖7所示波形,。在9 V輸入電壓下,，輸出電壓23.899 V,電壓紋波11 mV,電感電流1.545 9 A,紋波271 mA,占空比75%.由于加入了斜坡補償，所以并沒有出現次諧波振蕩,，即占空比時大時小的現象,。電源效率為70%.電路元件參數的具體選擇，可參考仿真結果,，查看每個元件的電流和耗散功率加以確定,。

圖7 PSpice仿真波形

4 結束語

借助PSpice仿真軟件，設計了一款常用的12~24 V升壓型開關穩(wěn)壓電源電路,。整個電路調試容易,，工作穩(wěn)定、可靠性高,、成本低,。另外，可根據具體的電路指標要求,，對電路進行靈活控制,、變動，設計出其他的應用電路,。