使用(yòng)PSpice的電(diàn)力系统中的大電(diàn)流直流電(diàn)压管理(lǐ)

2020-06-17

每位電(diàn)气工程师都应通过學(xué)习直流電(diàn)源，欧姆定律和整个電(diàn)路的電(diàn)源分(fēn)配来开始電(diàn)子學(xué)教育。当您考虑在電(diàn)路图中表示真实组件的简化方法时，与交流電(diàn)源系统相比，直流電(diàn)压和電(diàn)流看起来很(hěn)简单。实际上，直流電(diàn)源系统会变得非常复杂，非常快速，设计人员需要考虑其系统中的電(diàn)气和热安全性。

每个数字和模拟系统都需要一个板载電(diàn)源，但是用(yòng)于電(diàn)力電(diàn)子系统的板可(kě)以成為(wèi)自己的成果。如果您正在设计直流電(diàn)源系统，或者需要用(yòng)于AC-DC转换的系统，则需要考虑系统的安全性和温度，尤其是在大電(diàn)流下运行时。“大電(diàn)流”一词似乎有(yǒu)些武断，但是系统中的電(diàn)流将确定不同组件的安全性和温度升高，因為(wèi)它决定了散发為(wèi)热量的DC功率。

PCB中的大電(diàn)流直流電(diàn)压管理(lǐ)始于原理(lǐ)图。目的是检查系统中不同组件之间的電(diàn)压降如何以及在高電(diàn)流下会消耗多(duō)少功率。高压/大電(diàn)流系统中的電(diàn)阻，变压器，开关FET和其他(tā)驱动器或控制IC之类的组件可(kě)能(néng)会达到高温，或使用(yòng)户遭受输出冲击。

直流稳压器级

電(diàn)力系统本身可(kě)能(néng)需要多(duō)个调节器级。目标是采用(yòng)不受管制的，可(kě)能(néng)有(yǒu)噪声的直流電(diàn)源，并将其转换為(wèi)具有(yǒu)固定電(diàn)压/電(diàn)流的稳定直流输出。当涉及到高直流下的高压電(diàn)源電(diàn)路时，市场上很(hěn)少有(yǒu)集成電(diàn)路集成了直流電(diàn)源转换所需的所有(yǒu)组件，因此您必须在输入调节器级上使用(yòng)单独的分(fēn)立组件。这是这些系统很(hěn)大的原因之一。分(fēn)立元件需要布置在PCB上，以便為(wèi)板上的风扇或散热器腾出空间。

在原理(lǐ)图中，您需要使用(yòng)分(fēn)立元件构建稳压器電(diàn)路，并模拟到达输出的電(diàn)压/電(diàn)流。可(kě)以使用(yòng)PSpice中的瞬态分(fēn)析来计算每个调节器级提供的功率。通过将每个阶段的输出功率与输入功率进行比较，可(kě)以确定電(diàn)路的效率。设计良好的开关稳压器应具有(yǒu)遠(yuǎn)高于95％的效率。您可(kě)以在相关文(wén)章中阅读有(yǒu)关设计和模拟各种开关稳压器拓扑的更多(duō)信息。

大電(diàn)流DC降压转换器的原理(lǐ)图

使用(yòng)PSpice中的仿真工具，可(kě)以在直流稳压器级中进行以下仿真：

输出電(diàn)压，電(diàn)流和功率。為(wèi)此，只需放置理(lǐ)想的负载分(fēn)量（上图中的RL）并进行瞬态分(fēn)析。这将向您展示输出電(diàn)压，功率和電(diàn)流如何上升以达到稳态。只需在输出上放置探头，或添加波形。有(yǒu)关上述電(diàn)路中電(diàn)感器的示例電(diàn)压波形，请参见下图。

電(diàn)阻元件的功耗。您的目标是检查電(diàn)阻组件的功耗是否不超过绝对最大额定功率。然后，每个组件的功耗将确定其温度升高。您可(kě)以通过将组件温度系数作為(wèi)零件参数包含在PSpice原理(lǐ)图中来直接模拟每个组件中的温度。

输入直流電(diàn)压扫描。通过直流電(diàn)压扫描，您可(kě)以查看系统输出的变化方式，并可(kě)以确定最大输入電(diàn)压。这应该与上一点结合起来，因為(wèi)增加输入電(diàn)压会增加跨不同组件的功耗。对于开关MOSFET，如果输入電(diàn)压超过晶體(tǐ)管负载線(xiàn)的線(xiàn)性范围，则输出将饱和。

直流稳压器中的输出電(diàn)压電(diàn)平和電(diàn)感器電(diàn)流

瞬态分(fēn)析使您可(kě)以看到输出纹波，稳定的電(diàn)压電(diàn)平以及電(diàn)压纹波与其他(tā)组件中的電(diàn)压/電(diàn)流的比较。下面显示了在上述调节器级中将输出電(diàn)压与電(diàn)感器電(diàn)流进行比较的示例。下图还显示了低输入電(diàn)压的结果。扫描输入電(diàn)压时，您可(kě)以生成多(duō)个图形并确定電(diàn)压電(diàn)平何时停止增加（即，稳压器中的MOSFET何时饱和）。

在上述電(diàn)路中以及在DC-DC转换器设计中要考虑的重要一点是電(diàn)容器中的寄生效应。電(diàn)容器引線(xiàn)中的串联電(diàn)感和電(diàn)阻会导致所有(yǒu)電(diàn)容器表现出自谐振，这意味着電(diàn)容器的功能(néng)类似于串联RLC電(diàn)路。您可(kě)以使用(yòng)PSpice中的扫频模拟来确定電(diàn)容器的自谐振频率。電(diàn)容器的自谐振频率应大于PWM信号的拐点频率，以确保输出電(diàn)压上的低纹波。

确定DC-DC阶段的電(diàn)压和電(diàn)流后，您需要考虑電(diàn)路 

用(yòng)于大電(diàn)流AC-DC转换的隔离和PFC電(diàn)路

如果要构建从交流输入转换成的大電(diàn)流直流電(diàn)源系统，则在输入上需要整流器。為(wèi)了很(hěn)大程度地提高开关稳压器级的输出效率，您可(kě)能(néng)需要使用(yòng)功率因数校正（PFC）電(diàn)路来确保下游开关稳压器吸收稳定的電(diàn)流。开关稳压器会在短时间内产生電(diàn)流，因此输入功率级的電(diàn)流不会像干净的正弦波。取而代之的是，它会流向下游调节器级的電(diàn)流很(hěn)小(xiǎo)。

PFC電(diàn)路的目的是确保流向下游开关调节器的電(diàn)流类似于正弦波。PFC電(diàn)路在整流器的输出端使用(yòng)一个電(diàn)感器，以抑制开关调节器吸收的任何電(diàn)流。当電(diàn)流突发流过PFC级的输出时，電(diàn)感器会产生反電(diàn)动势，这会减慢到达稳压器级输入的電(diàn)流上升。典型的拓扑如下所示：

用(yòng)于大電(diàn)流AC-DC转换的PFC拓扑

甲PWM信号用(yòng)于切换的MOSFET（见S上文(wén)），这引起電(diàn)容器的充電(diàn)和放電(diàn)。PFC電(diàn)路的输出電(diàn)平和波形将取决于PWM占空比。输入電(diàn)感器减缓了到达電(diàn)容器的输入電(diàn)流的上升和下降，这导致到达调节器输入的電(diàn)流类似于带有(yǒu)一些波纹的正弦波。

就像DC-DC转换阶段中的各个调节器阶段一样，您应该对输出进行瞬态分(fēn)析，以检查電(diàn)流波形类似于带有(yǒu)波纹的正弦波，并且应该将输入功率与输出功率进行比较以计算效率。还应模拟電(diàn)阻组件的功耗，并且应检查额定功率和温度是否超过最大值。

大電(diàn)流直流電(diàn)源系统中要考虑的其余方面是交流電(diàn)源的隔离。大功率交流電(diàn)源通常在PFC级之前通过变压器和整流器馈電(diàn)，以降低電(diàn)压。在输入直流稳压器上使用(yòng)反激转换器具有(yǒu)许多(duō)好处。首先，将第一直流调节器级的初级和次级侧電(diàn)隔离。这样可(kě)以减少来自初级侧的瞬态耦合，消除下游转换器级中的接地环路，并允许通过选择变压器上的绕组方向来控制输出极性。PSpice中的瞬态仿真将向您展示初级侧的瞬态如何传播到第一级调节器输出，从而使您能(néng)够评估系统的安全性。

规划您的PCB布局

从SPICE仿真中获得的结果对于规划DC系统中的功率分(fēn)配至关重要。您的布局以電(diàn)源/接地层，过孔，電(diàn)源轨和实际组件的形式在直流電(diàn)流中形成了另一层電(diàn)阻。PCB布局的其他(tā)方面也需要加以考虑，以防止走線(xiàn)和组件的温度过度升高。IPC标准以及消费和商(shāng)用(yòng)产品的UL和IEC标准规定了用(yòng)于高压和大電(diàn)流系统的DC和AC PCB布局的这些方面。

為(wèi)了符合IPC，开始布局时要考虑两点：走線(xiàn)中的電(diàn)流密度和导體(tǐ)之间的间距，取决于它们之间的電(diàn)势差。可(kě)以根据走線(xiàn)允许的温升来确定DC和AC電(diàn)源系统PCB的走線(xiàn)宽度。然后可(kě)以从IPC-2152诺模图确定。目的是确定要在PCB中使用(yòng)的合适的铜重量。

规定了保持不同電(diàn)位的导體(tǐ)之间的间距，目的是防止操作过程中产生静電(diàn)放電(diàn)。这些间隙（视線(xiàn)间距）和爬電(diàn)距离（板表面间距）的规则在IPC-2221标准中指定。有(yǒu)一些简单的公式可(kě)以用(yòng)来确定高压直流電(diàn)源系统中最小(xiǎo)间隙和爬電(diàn)距离与電(diàn)压的关系。