BOOST电路的PSpice仿真分析与设计

1 引言
   　　BOOST 电路又称为升压型电路，是一种直流一直流变换电路，其电路结构如图1所示。此电路在开关电源领域内占有非常重要的地位，长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。对它工作过程的理解掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解，然而现有的书本上仅仅给出电路在理想情况下稳态工作过程的分析，而没有提及电路从启动到稳定之间暂态的工作过程，不利于读者理解电路的整个工作过程和升压原理。本文采用PSpice仿真分析方法，直观、详细的描述了BOOST电路由启动到达稳态的工作过程，并对其中各种现象进行了细致深入的分析，便于读者真正掌握BOOST电路的工作特性。
   
   　　图1 BOOST 电路的结构
   　　2 电路的工作状态
   　　BOOST 电路的工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。其中电流连续模式的电路工作状态如图2(a)和图2(b)所示，电流断续模式的电路工作状态如图2(a)、(b)、(c)所示，两种工作模式的前两个工作状态相同，电流断续型模式比电流连续型模式多出一个电感电流为零的工作状态。
   
   　　图2 BOOST 电路的工作状态
   　　3 PSpice建模分析
   　　3.1 PSpice建模
   　　PSpice是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件，它可以进行各种各样的电路仿真并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果。本文应用基于PSpice的OrCAD9.2软件对BOOST电路建模，模型如图3所示，其中采用N 沟道的MOS管IRF640作为开关管，并用一个工作频率为40K 占空比为40％ 的脉冲源VG控制MOS管的通断来仿真图2中开关S的通断过程，Rs为电源内阻，RJ为MOS管栅极限流电阻，其它部分与图1相对应。
   
   　　图3 BOOST 电路的PSpice模型
   3.2 电路瞬态过程分析
   　　用Pspice对图3模型进行瞬态分析，首先对电路启动过程中O～60us时间段进行扫描，对应的开关管S点电压Vs的波形、输出电压Vo的波形、电感上的功率PL的波形、电感电压VL的波形、电感电流IL的波形如图4所示。现分析其工作过程如下：
   
   　　图4 瞬态电路相应信号仿真波形
   　　0～5us时段：开关处于断开状态，直流电源通过电感L、二极管D向负载供电，电路处于稳态。由于电感对于直流相当于短路，所以s点电压Vs等于电源电压减去其内阻电压，为14.7V。流过电感的电流为1.3A。
   　　5us～16us时段：开关于5us～6us之间闭合，并保持闭合状态直到16us，电路处于图2(a)状态。由于电路开关状态发生突变，电路进入暂态。由于开关闭合，Vs降为0，电感两端产生压降，电感电流开始增长，电感开始储存能量；此时二极管D处于断态，输出端由电容c向负载RL提供能量，因此可以明显的观察到，电容上的输出电压Vc 在下降，这意味着电容在释放刚刚静态时储存的能量。
   　　3.3 电路稳定过程的分析
   　　观察图4电感上的功率PL波形，因为PL为正表示电感吸收能量，PL为负表示电感释放能量，PL波形曲线与时间轴所围面积既是相应时间内电感传递能量的大小。不难看出电路工作的前两个周期中，电感储存的能量大于释放的能量。第二个周期开始时，电感电流在第一个周期的基础上增长，进一步储存能量，在开关断开时，电感释放出更大能量，以更高的Vs向负载提供更高的输出电压，图4中第二周期电感电压的负电压幅值大于第一周期也恰恰说明了这一点。但是应该注意到，电感上负电压的幅值又与电感电流下降的斜率成正比，随着电路的工作，每个周期电感提供的负电压越来越大，电感电流下降斜率也随之增加，直到在单个工作周期末尾，电感电流值下降到此工作周期开始时的电感电流值，此时电感吸收的能量等于其释放的能量，电感不再进一步储能。开关断开时电感提供的负电压不会再增加，电感电流下降的斜率也不会再增加，电感进入稳定工作状态。
   　　与电感类似，输出电容也存在着由暂态到稳态的过程，用与电感采用相似的能量方法也可得到，电路刚刚开始工作时电容的充电能量大于放电能量，每个周期，电容除了在开关闭合时给负载提供能量外，自己还在存储能量，所以输出电压越来越高。随着电压的升高，开关闭合时，电容的放电电流越来越大，直到一个周期内，电容的充电能量等于电容的放电能量时，电容进入稳定工作状态，输出电压稳定。
   　　用PSpice对BOOST 电路模型进行0～2.5ms瞬态分析，输出电压Vo和电感电流IL的波形如图5所示，易见，电路输出电压，电感电流在1.4ms左右趋于稳定，电路进入稳态。值得注意的是电感电流在前1ms内形成了一个峰值，这是由于前1ms内，电感和输出电容上的能量不断增加导致的，它反映了电感和电容由暂态到稳态器件自身的能量存储的过程。
   
   3.4 电路稳态分析
   　　对1.4ms～1.46ms时段进行扫描分析，与图4对应的输出波形如图6所示，电路的工作过程与图4类似，只是此刻电感、电容均已进入稳定工作状态，每个工作周期电感提供相同大小的负压，电感电流下降的斜率一定，电感吸收的能量等于释放的能量，电容充电能量等于放电能量，电感、电容不再吸收能量而成为能量传递的工具。
   
   　　3.5 电流断续模式工作过程的分析
   　　当电感较小，或负载电阻较大，或电路工作周期较长时，BOOST 电路进入电流断续工作模式。现将图3中的负载电阻换为150Ω，经仿真分析，发现电路已经工作于电流断续模式。由仿真发现，电路瞬态过程与电流连续型完全相同，故在此不对电路的瞬态过程再做说明。现取电路进入稳态后的60ms～60.06ms进行扫描分析，与图6对应的输出波形见图7所示。对比图6和图7 不难发现，电流断续型电路在经历了和图6类似的图2(a)和图2(b)两个状态后，在60.024ms～60.03ms时间段处于图2(c)状态，由输出波形可见，此时电感电流减小到0，电感电压的平均值亦为0，S点的电压平均值为电源供电电压15V，由于s点电压Vs小于电路输出电压Vo故二极管D截止，负载所需能量由输出电容提供。
   　　4 结束语
   　　PSpice是当今世界最流行的电路分析软件之一，其仿真结果非常接近实际电路分析和设计环境。本文采用PSpice仿真分析方法，对BOOST 电路的工作过程和升压原理进行了详细的分析，并从能量传递的角度进分析了电感、电容等储能元件由暂态到稳态的工作过程，并且给出了直观易懂的计算机仿真结果验证分析的正确性。对深入理解BOOST 电路有极大的促进作用。
   　　16us～30us时段：开关于16us～ 17us之间断开，并保持断开状态直到30us，电路处于图2(b)状态。电路开关状态再次发生突变，电路仍处在暂态中。由于电感的电流连续特性，线圈L 中的磁场将改变线圈L两端的极性，以保持IL不变，因此图4中VL在这一时段出现负电压，此电压是由线圈L的磁能转化成的，它与电源VI串联，以高于VI 的电压向电路的后级供电，使电路产生了升压作用。此时，电感向后级电路释放能量，电感电流不断减小，电感电流通过二极管到达输出端后，一部分给输出提供能量，一部分给电容充电，可以观察到，电容上的电压在上升，电容开始储存能量。
   　　电路在5us～30us时段之间的工作过程是BOOST 电路的第一个工作周期，此后电路重复上述过程继续工作。