電(diàn)路设计電(diàn)力電(diàn)子仿真工具

2020-06-03

電(diàn)路设计電(diàn)力電(diàn)子系统具有(yǒu)很(hěn)高的安全要求，尤其是在高压和高電(diàn)流下运行时。在任何電(diàn)力電(diàn)子系统中，热管理(lǐ)也是一个问题，因為(wèi)组件可(kě)以非常快地达到很(hěn)高的温度。然后就是开关稳压器中的噪声问题，它会引起低電(diàn)平下游数字组件的意外开关，尤其是当这些稳压器在大電(diàn)流下运行时。

為(wèi)了确保他(tā)们的新(xīn)電(diàn)路设计将以可(kě)接受的纹波输出正确的電(diàn)压，无畏的设计师应该做什么？電(diàn)力電(diàn)子仿真需要在设计过程中以及整个系统中单独考虑任何有(yǒu)源组件。

電(diàn)力電(diàn)子仿真中的检查内容

这个问题的答(dá)案取决于您所构建的系统的类型。不同的稳压器和其他(tā)電(diàn)源系统需要不同的设计和不同的仿真，以确保正确选择组件。通常，您需要模拟任何電(diàn)力電(diàn)子系统的以下方面： 

平均输出電(diàn)压/電(diàn)流与输入電(diàn)压/電(diàn)流的关系。您可(kě)以通过比较系统中的输入和输出電(diàn)压/電(diàn)流来确定设计的功率传输特性。确定平均值就像在某个选定时间段内计算输出波形的积分(fēn)一样简单。

線(xiàn)性度。電(diàn)力電(diàn)子系统将在一定范围内通过線(xiàn)性函数将输出和输入关联起来。当您需要检查可(kě)以连接到系统的最小(xiǎo)负载（即最大電(diàn)流）时，应针对不同的负载对此进行仿真。

波纹。PFC電(diàn)路，开关稳压器，整流器和其他(tā)電(diàn)路不会产生平坦的DC输出。当電(diàn)路中存在开关或整流元件时，输出上会有(yǒu)一些纹波。纹波通常量化為(wèi)平均输出電(diàn)压/電(diàn)流的百分(fēn)比。 

降压或升压功能(néng)。开关DC-DC转换器和PFC電(diàn)路具有(yǒu)不同的拓扑，这些拓扑提供降压（降压）或升压（升压）功能(néng)。您需要根据转换器拓扑的标准公式验证输出是否随占空比的变化而变化。

该VRM需要為(wèi)低電(diàn)平处理(lǐ)器提供超稳定的電(diàn)源输出

要执行什么模拟

電(diàn)路设计電(diàn)力電(diàn)子仿真通常会在时域中进行。有(yǒu)一些重要原因。首先，通常在创建设计之前定义输入和输出功率要求，包括任何输入/输出交流频率。您无需扫描多(duō)个频率并创建传递函数，也无需确定系统本身的阻抗。

对于使用(yòng)PWM或PFM脉冲进行输出控制的开关稳压器和其他(tā)電(diàn)路，情况并非如此。您需要改变占空比（对于PWM和PFM控制信号）和/或调制指数（对于PFM控制信号），以检查它们如何影响稳压器的输出。 

以下是成功模拟電(diàn)力電(diàn)子设备的一些步骤：

在输入端使用(yòng)受控源

您的電(diàn)源需要进行電(diàn)压控制或電(diàn)流控制，以确保您的電(diàn)源系统能(néng)够模仿真实系统的行為(wèi)。实际電(diàn)源将限制它们在電(diàn)力系统中可(kě)以提供的電(diàn)流，并且短路负载不能(néng)吸收无限大的電(diàn)流。放置的负载太小(xiǎo)可(kě)能(néng)会导致電(diàn)路过早饱和，因此在构建原型之前了解这些限制很(hěn)重要。

通过参数扫描改变负载

為(wèi)了检查系统的功率消耗，您最终需要改变负载组件以检查系统的功率输出。这可(kě)以通过时域中的简单参数扫描来完成。这种类型的分(fēn)析会生成多(duō)条曲線(xiàn)，显示每个负载分(fēn)量值随时间的输出電(diàn)压/電(diàn)流，从而直接比较各种负载值的功率输出。您可(kě)以使用(yòng)相同的步骤来检查其他(tā)组件（尤其是系统中的任何電(diàn)感器或電(diàn)容器）如何影响功率输出，纹波和線(xiàn)性度。

任何晶體(tǐ)管/ FET的设计负载線(xiàn)

不要简单地将晶體(tǐ)管放置在電(diàn)路中而不模拟其负载線(xiàn)。您的系统可(kě)能(néng)需要在線(xiàn)性或饱和状态下运行。在开关稳压器中，需要确保在负载電(diàn)阻值的所有(yǒu)可(kě)能(néng)范围内都在線(xiàn)性范围内工作。使用(yòng)参数直流扫描，您可(kě)以通过改变负载和基极/栅极電(diàn)压轻松地為(wèi)系统创建负载線(xiàn)。下图显示了一组可(kě)用(yòng)来构造载荷線(xiàn)的SPICE传递曲線(xiàn)示例。

可(kě)以為(wèi)PSpice中的電(diàn)源晶體(tǐ)管构建的晶體(tǐ)管IV曲線(xiàn)。

一旦電(diàn)力系统中的组件进入饱和状态（即，一旦负载電(diàn)阻太低），為(wèi)了安全起见，系统将需要进入恒定電(diàn)流模式，并且系统应具有(yǒu)限流输出。下面显示了针对这种情况的理(lǐ)想系统负载線(xiàn)。实际负载線(xiàn)在低负载電(diàn)阻下会有(yǒu)一些下降，并且系统应突然进入電(diàn)流限制状态。

電(diàn)力電(diàn)子仿真中的理(lǐ)想系统负载線(xiàn)

在包括发電(diàn)机模型之前定义PWM源

一般采用(yòng)迭代方法来模拟電(diàn)路设计電(diàn)力電(diàn)子。将PWM源定义為(wèi)独立的方波電(diàn)压源，可(kě)以在添加PWM发生器之前模拟電(diàn)路的功能(néng)。可(kě)以将任何PWM发生器電(diàn)路和其他(tā)组件作為(wèi)经过验证的组件模型添加到系统中。