用SPICE和PSPICE仿真開(kāi)關(guān)電源
由于DC/DC PWM功率轉(zhuǎn)換器的非線性,以及可能有的多種運(yùn)行模式(CCM模式或DOM模式),使分析十分 困難。
在設(shè)計(jì)或分析開(kāi)關(guān)電源時(shí),仿真起了重要作用。數(shù)字仿真手段可以用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足性能要求。用 數(shù)字仿真可以減少電路的實(shí)驗(yàn)工作,與電路實(shí)驗(yàn)相比仿真所需要的時(shí)間要少得多,并且可以更全面、更完 整地進(jìn)行,以幫助改進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外,仿真還可以提供某些信息。因此仿真可以加速對(duì)開(kāi)關(guān)電源的分析 與設(shè)計(jì)評(píng)估,對(duì)于大信號(hào)分析,一般很難用解析法求解,更需要借助于數(shù)字仿真。因此,仿真是介于開(kāi)關(guān) 電源的理論設(shè)計(jì)和硬件電路板實(shí)驗(yàn)之間的一個(gè)重要步驟。有時(shí)應(yīng)用仿真手段可以比硬件實(shí)驗(yàn)更透徹地了解 理論設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方法。在理論設(shè)計(jì)完成以后,可以先用一種簡(jiǎn)單的電路仿真模型來(lái)檢驗(yàn); 實(shí)際電路存在著許多非理想的特性,如噪聲,寄生電容、漏電感和線路電感、開(kāi)關(guān)時(shí)間、二極管恢復(fù)過(guò)程 等。非理想元件可以在SPI(E模型中考慮,如每次仿真時(shí),只考慮其中-個(gè)或兩個(gè)問(wèn)題,以研究它們對(duì)開(kāi) 關(guān)電源性能的影響,從而避免了許多由于非線性而產(chǎn)生的迷惑或復(fù)雜現(xiàn)象。
有些理論問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜或發(fā)展還不完善(如諧振轉(zhuǎn)換器,漏電感對(duì)交叉調(diào)節(jié)的影響,電路的損耗等), 要將這些理論應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí),可以先用SPICE仿真試驗(yàn)試探(Trial&error)分析。SPICE仿真還可以用來(lái) 分析一些潛在的問(wèn)題,如伏安不平衡造成變壓器飽和,不確定的RC鉗位電壓水平。在實(shí)際電路中,這些問(wèn) 題可能會(huì)破壞功率晶體管或整流器;因此事先做仿真研究分析是必要的。由于PSPICE是從SPICE派生出來(lái) 的,所以本章主要結(jié)合SPICE來(lái)介紹它的應(yīng)用,原則上這些論述也適用于PSPICE。
用仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)以后,SPICE程序可以給出小信號(hào)開(kāi)環(huán)頻率特性(Bode曲線),以驗(yàn)證開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài) 響應(yīng)和啟動(dòng)特性。-旦通過(guò)了仿真試驗(yàn),硬件電路實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的最后一步,硬件實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)只對(duì)設(shè)計(jì)做 一些小的修改,得到這樣的結(jié)果才算是一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)過(guò)程。
用SPICE分析開(kāi)關(guān)電源,國(guó)外有不少人做過(guò)大量的建模開(kāi)發(fā)研究工作,如Bello,MON-teith,Griffin ,Y,S.Lee等。
開(kāi)關(guān)電源大信號(hào)數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)了兩個(gè)(動(dòng)態(tài))變量相乘的項(xiàng),如dU或ax(J為導(dǎo)通比或占空比,U為輸 人電壓,X為狀態(tài)變量)。SPICE軟件包可以處理這類(lèi)瞬態(tài)非線性二次項(xiàng)。因此不僅可以用SPI(E程序?qū)﹂_(kāi) 關(guān)電源做直流分析和交流小信號(hào)分析,而且網(wǎng)可以分析開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的大信號(hào)瞬態(tài)過(guò)程,如啟動(dòng)過(guò)程或 負(fù)載電流小信號(hào)分析,并且還可以分析開(kāi)環(huán)系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)的大信號(hào)瞬態(tài)過(guò)程,如啟動(dòng)過(guò)程或負(fù)載電流大 幅度變化等。近幾年,人們已應(yīng)用SPICE軟件分析了有前饋及電流控制的開(kāi)關(guān)電源,也有人用于仿真諧振式轉(zhuǎn)換器。
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器主電路的主要部件,是用導(dǎo)通比脈沖列d控制的開(kāi)關(guān)晶體管。應(yīng)用SPICE仿真程序必須先建立功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件和控制電路的專用仿真模型,它包含三個(gè)內(nèi)容:
?。?)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管的模型用一個(gè)導(dǎo)通比d控制的理想變壓器表示,變壓器的變比與J有關(guān)。因此仿真模型中除了理想變壓器原副邊四個(gè)端子外,還有實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通比'控制的輸人端子。控制電路也應(yīng)當(dāng)用一定的符號(hào)表示,并標(biāo)明輸人纈出端子。
?。?)等效子電路:用電流源、電壓源、電阻、電容等元件組成上述兩種模型的等效子電路。
?。?)子電路仿真程序:將子電路拓?fù)浜驮?shù)按照規(guī)定的格式用描述語(yǔ)言輸入到計(jì)算機(jī)中。
將上述未用的仿真模型與SPICE通用電路程序結(jié)合起來(lái),其子電路仿真程序作為SPICE的一個(gè)子程序,便可以對(duì)各種開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行仿真分析。
用SPICE仿真程序,其精確度取決于步長(zhǎng)和積分階次(Integration Order)。
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