基于PSp ice的抗电网波动交流稳压电源的仿真

吕 洁 张晓晖

(无锡职业技术学院机电技术学院,无锡 214121)

基于PSp ice的抗电网波动交流稳压电源的仿真

吕 洁 张晓晖

(无锡职业技术学院机电技术学院,无锡 214121)

介绍了一种交流稳压电路,对输入电压的波动有比较好的抑制作用,利用PSp ice仿真软件进行仿真得以证明此电路稳压性能可靠。

PSp ice;仿真;电压波动

在诸多电路仿真软件中,SPICE系列最受欢迎。它是为了执行日益庞大的而复杂的集成电路的仿真工作而发展起来的。

评价一个电源的好坏,主要是看当电网和负载发生变化的时候,电源能否稳定地工作,并且始终把电压稳定在误差范围内。电压波动就是检验电源好坏的一个重要的参数或标准。

1 交流稳压电源的主电路

我们设计的交流稳压电源的主电路是在B uck-B oost变换器的基础上变形改变而来的,见图1。电路中各个元件是根据B uck-B oost电路参数计算后再在实际仿真的基础上确定的。图中标出了各个元件的具体参数。

在这个电路中,我们采用两个高频电压控制开

关作为执行机构,可以直接对交流进行调压。因为Buck-B oost电路输入端的电流不连续,对电网会造成一定的污染,所以在主电路的输入端用L1和C1构成一个LC滤波网络,可以保证输入端电流的连续,又可以使输入电流的纹波减小,以达到减少对电网污染的目的。电感L2是一个储能元件,它是电源和负载之间的主要能量传递者,能够保证负载上的电流保持连续的状态。电容C2用来消除输出电压的波形脉动,同时可以维持负载端电流的连续,起到一个滤波的作用。

采用脉宽调制(PWM)的方法来控制高频电压控制开关S1和S2,通过它们的通断来调节占空比。它们是一对互补的开关,开关频率是由控制回路所决定的,频率大小和PWM控制回路中锯齿波发生器的频率相同。这个电路可以提供某一输出电压值,此值与输入电压值相比或大或小,其大小取决于S1和S2的占空比。

图1 PWM反馈控制下的AC/AC变换电路电路图Fig.1 The circuitof AC/AC transfo rm w ith PWM feedback con tro l

电路中电感采用了高频磁芯,可以有效的降低器件的重量和发热量。通过仿真,可以得出:此电路纠正了B uck-B oost电路的输入不连续的缺点,在连续工作的条件下,电路的输入输出电流都是连续的。同时这个电路的调压范围比较大,反应速度快,调压的精度高。

出于将来调试安全性的考虑,因此不直接把这个电路接到电网上,而是通过一个隔离变压器连接到电网上。电路输入端连接变压器副边,变压器原边接到电网电压220V,副边电压为85.42V,在仿真电路中,用一个频率50H z,大小为85.42V的正弦交流电压来模拟。负载采用360Ω的电阻。

在输出端并联上R1和R2两个取样电阻,取样电压Vx就是电阻R2上的分压。由于反馈控制电路在实际中是用芯片来实现的,芯片工作电压比较小,所以在选取取样电阻的大小时,一般R1要比R2大很多。在选择基准电压时,我们以85.42V为参照标准。基准电压Vf就是理想电压85.42 V在R2上的分压。

取样电压Vx取绝对值后加到减法器D1的同相端,基准电压Vf取绝对值后加到减法器D1的反相端。为了消除闭环振荡,D1输出误差电压Vc通过一个RC环节以及限幅放大器L1后加在减法器D2的反相端。一般芯片的工作电压为8V或者12V,所以限幅放大器把电压限制在±8.1 V。一个固定频率的锯齿波发生器产生锯齿波信号加到D2的同相端,这个锯齿波的大小为±8.1V,与误差信号Vx的大小范围重合。D2的输出信号经过限幅放大器L2后就为一系列矩形波,接到两个电压控制开关上。L2的放大倍数比较大,这是为了得到前后沿比较陡的方波信号。由于两个电压控制开关的开关电压为±1V,所以L2的输出电压限制在±1.1V。这个方波信号的占空比θ随误差电压Ve变化,而Ve的变化则反映了输入电压与输出电压之间的关系,通过反馈,可以稳定输出电压的幅值。

2 电路抗电压波动的仿真实验

电压的波动是指电压的幅值偏离了正常值。一般的用电器工作不会受太大的影响,但是一些精密的仪器就不能承受这种波动了,必须要依靠稳压电源把电压稳定在误差范围内,而稳压电源抗电压波动的性能也作为评价其性能好坏的一个重要依据。

我们采用在电压输入端叠加与输入电压源同频率同相位电压源的方式来模拟电压偏离正常值30%的情况,电路图见图2。

在这里,只需要改变输入电压的幅值。因此,输入端叠加了四个与输入电压源同频率的正弦电压。大小都是输入电压85.42V的30%,即26V。各个电压源的参数设置如下:

V5:大小26V,与V1反向,延迟时间40m s

V6:大小26V,与V1同向,延迟时间80m s

V7:大小26V,与V1同向,延迟时间120m s

V8:大小26V,与V1反向,延迟时间160m s

输入端的电压在0～40m s保持不变,40～80m s电压下降30%,80～120m s电压恢复到开始的状态,120～160m s电压上升30%,160m s以后又恢复到开始的状态。

3 仿真结果

图2 输入电压波动30%的仿真电路图Fig.2 The sim u lation circuit of input vo ltage fluc tuation 30%

我们用PSp ice软件中的电压测量指针来分别测量电路的输入端和输出端两个电压,来分析输出电压在输入电压波动30%的情况下的变化情况。图3上图为输入电压,下图为输出电压。从仿真波形图中可以看出,0～40m s时,输入电压只有V1起作用,输入电压为85.42V,因为占空比为0.5,输出电压与输入电压大小相等,相位相反,也为85.42V; 40～80m s时,V5开始起作用,大小26V,与Vi反向,因此两个电压叠加,相当于输入电压减少了30%,从图中可以看出,输入电压波形下降明显,而输出电压则保持85.42V;80～120m s时,V6开始起作用,大小26V,与V1同向,因此三个电压叠加,相当于输入电压恢复到初始值;120～160m s时,V7开始起作用,大小26V,与Vi同向,四个电压叠加,相当于输入电压增加30%,输入电压波形上升明显,而输出电压则始终保持85.42V。

图3 输入电压波动30%的波形图Fig.3 The osc illog ram of inpu t vo ltage fluc tuation 30%

4 结 论

当输入电压偏离正常值时,无论是输入电压向上波动30%到112 V,或者是向下波动30%到 60V,PWM反馈控制回路输出的脉冲方波能够及时的对主回路进行调整,使得输出的电压波形几乎没有受到什么影响。也证明了此电路有良好的抗电压波动的性能。

[1] 郑光钦.全能混合电路仿真O rCAD PSp ice A/D V 9[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[2] 贾新章.O rCAD/PSp ice 9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[3] 张占松.高频开关稳压电源[M].广州:广东科技出版社,1993.

[4] 邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2002.

The Sim u la tion o f an AC Stabilized-vo ltage Pow e r Supp ly Restra in the Inpu tVo ltage F luc tua tion Base on Psp ice Sim u la tion So ftw a re

LV Jie,ZHANG X iao-hui
(M echan ical and Elec trical Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

The paper p resen ts an AC stabilized-vo ltage pow er supp ly w h ich can restrain the inpu t vo ltage fluctuation.W e sim u late the circus using PSp ice sim u lation softw are and the resu lt show s that it has the charac teristic ofw ide-regu lation-range.

PSp ice;sim u late;vo ltage fluc tuation

TM 727

A

1671-7880(2010)01-0032-03

2009-11-25

吕 洁(1979— ),女,讲师,硕士,主要研究方向:自动控制。