POWER 4-5-6的仿真功能及設(shè)計(jì)實(shí)例

1 POWER 4-5-6的仿真功能
PSpice是PC環(huán)境下的通用電路仿真程序的簡稱，它是從SPICE (Simulation Program withIntegrated Circuit Emphasis)發(fā)展起來的。利用POWER 4-5-6 Plus Release 8可生成開關(guān)電源的PSpiee模型。PSpice模型非常通用，利用它可獲得各種變換器的小信號傳遞函數(shù)。在生成PSpiee列表之前需要向軟件指定所必須的傳遞函數(shù)。以保證模型中的激勵源有效。當(dāng)PSpice運(yùn)行后，用戶需要指定特定節(jié)點(diǎn)的電壓值或者電流值，以研究傳遞函數(shù)的校正。變換器常用傳遞函數(shù)的分類見附表，括號內(nèi)的數(shù)字表示所對應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)編號。在所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)5對應(yīng)于輸出電壓，節(jié)點(diǎn)10對應(yīng)于誤差電壓。

控制回路設(shè)計(jì)面板可提供多種傳遞函數(shù)，POWER 4-5-6 Plus Release 8將PSpice作為一種可獲得小信號傳遞函數(shù)的便捷方法。PSpice模型的列表通常在功率級和控制回路中由POWER4-5-6 Plus Release 8自動生成。無論采用電流模式還是電壓模式，各種變換器的控制器和補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是相同的。因此，控制器和補(bǔ)償器可理解成每個功率級所共有的分支電路，它們的元件值會根據(jù)特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件值發(fā)生變化。POWER 4-5-6 Plus Release 8根據(jù)用戶在控制回路設(shè)計(jì)面板中指定的輸入及負(fù)載參數(shù)，自動檢測變換器是處于不連續(xù)模式還是連續(xù)模式。用戶不需要熟悉PSpice的工作細(xì)節(jié)，即可使用上述功能。
下面以降壓式變換器為例，介紹其PSpice模型和補(bǔ)償電路的PSpice原理圖。
由POWER 4-5-6 Plus Release 8生成的帶反饋補(bǔ)償電路的降壓式變換器的PSpice模型如圖1所示，圖1中給出了重要的節(jié)點(diǎn)編號，藍(lán)(黑)色條中的“Power Stage Model”代表電源級電路模型。該變換器工作在連續(xù)模式，開關(guān)電路模型的名稱為“PWMCCM”。若POWER 4-5-6辨認(rèn)出是不連續(xù)模式，則開關(guān)電路模型的名稱會變成“PWMDCM”。由圖1可見，直流輸入電壓Vin經(jīng)過濾波器(FILTER)、高頻變壓器(TRANSFORMER),接脈寬調(diào)制器(PWM)。ISOLATION表示隔離框，當(dāng)隔離框與節(jié)點(diǎn)10接通時構(gòu)成閉環(huán)(closedloop)，若沿著虛線與節(jié)點(diǎn)11接通時，則形成開環(huán)(open loop)，VC為控制電壓，其負(fù)極節(jié)點(diǎn)編號為0，表示與公共地連通。L為濾波電感，其等效電阻為R1。C為濾波電容感，其串聯(lián)等效電阻為RC。R為負(fù)載電阻。TYPE3表示反饋電路的類型。

補(bǔ)償電路的PSpice電路原理如圖2所示。電壓控制模式和電流控制模式的補(bǔ)償電路是相同的。在電流模式下通常使用雙極點(diǎn)、單零點(diǎn)補(bǔ)償器，只要選用的元件值合適，由C2和R3組成的支路就被接通。若采用1型放大器，則由C1和R2組成的支路被接通。

2 POWER 4-5-6 Plus Release 8軟件的使用方法
POWER 4-5-6 Plus Release 8是美國RidleyEngineering公司開發(fā)的開關(guān)電源仿真軟件(第8版)。打開POWER 4-5-6 Plus Release 8，選擇降壓式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Buck Topologies)，單擊Start按鈕，啟動軟件，進(jìn)入Power Supply Schematic(電源原理圖)面板，如圖3所示。圖3中的紅色部分是由軟件完成設(shè)計(jì)的，單擊這些地方可觀察相應(yīng)的電路和參數(shù)值。根據(jù)POWER 4-5-6的編碼順序，若改變某個紅色方框中的參數(shù)值，則比它編號更大的紅色方框中的參數(shù)值也隨之改變。但所設(shè)置的參數(shù)值必須在允許范圍內(nèi)，否則POWER 4-5-6會理解為禁止使用，而使用默認(rèn)值。單擊小圖標(biāo)，可觀察仿真波形并能修改輸入直流電壓和輸出負(fù)載。單擊小圖標(biāo)，可獲得小信號傳遞函數(shù)的信息，觀察環(huán)路增益、功率放大級、補(bǔ)償電路和輸入濾波電路的特性。該面板上共有4個紅色方框、6個紅色元器件符號和8個波形仿真測試點(diǎn)。例如，單擊Input EMI Filter(輸入電磁干擾濾波
器)紅色方框，可顯示的二階EMI濾波器元件面板。單擊可顯示輸入濾波器傳遞函數(shù)(InputFilter Transfer Function)。

3 利用POWER 4-5-6軟件進(jìn)行大信號仿真
所謂大信號仿真，是指對功率級和控制電路中幅度較高的大信號進(jìn)行仿真。POWER 4-5-6能在幾秒鐘之內(nèi)對大信號閉合回路完成200個周期的仿真。該仿真系統(tǒng)能顯示出開關(guān)電源功率級和控制電路中大多數(shù)非線性元件的大信號響應(yīng)。下面仍以正激、推挽式變換器為例，介紹對開關(guān)電源的功率級進(jìn)行大信號波形仿真的方法。
在推挽式變換器的功率級原理圖面板上，標(biāo)有藍(lán)色字體的4個Current(電流)按鈕和1個Voltage(電壓)按鈕，可分別對功率級的5處電壓、電流測試點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)波形仿真。下面僅介紹開關(guān)電流的波形仿真。單擊Rectifier and InputFilter[17]下面的Current按鈕，即可顯示SwitchCurrent(開關(guān)電流)波形仿真面板，如圖4所示。若時間軸選擇“Full Scale”(全尺寸)，還可顯示全部200個開關(guān)周期的波形，用戶可根據(jù)需要放大曲線以研究波形的細(xì)節(jié)。圖1中的仿真波形是電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)并將時間軸放大以后得到的。

利用波形仿真面板上的按鈕可幫助用戶在規(guī)定大信號仿真條件下，觀察或分析瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)仿真波形。在Simulation Options(仿真選項(xiàng))欄目下面有以下4個大信號仿真選項(xiàng)。
(1)Start-Up(啟動)將初始條件清空，用來顯示啟動時的波形。在此條件下的波形仿真便于研究變換器達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前的全部細(xì)節(jié)，這對研究和分析啟動時的峰值點(diǎn)及輸出電壓的過沖現(xiàn)象非常有用。
(2)Continue(連續(xù))在完成對前200個大信號周期的仿真后，顯示后續(xù)200個大信號周期的波形。用戶可能需要多次單擊這個按鈕，以等待變換器從啟動狀態(tài)或瞬態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)。
(3)Steady-State(穩(wěn)態(tài)) 用于軟件自動估算功率級元件的穩(wěn)態(tài)值，然后將這個穩(wěn)態(tài)值作為初始條件，對400個周期的大信號進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)這次仿真后，變換器會非常接近于穩(wěn)態(tài)。若使用Continue按鈕，就能更接近于實(shí)際穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
(4)Repeat(重復(fù)) 在與上次仿真完全相同的條件下再進(jìn)行一次仿真，以便當(dāng)元件或負(fù)載發(fā)生變化時能系統(tǒng)地響應(yīng)加以比較。但重復(fù)條件下的開關(guān)電流仿真波形也可能與穩(wěn)態(tài)開關(guān)電流仿真波形相同。
仿真器一般需要幾秒鐘時間來計(jì)算仿真結(jié)果并繪制仿真波形。軟件默認(rèn)的設(shè)置是每次顯示200個大信號周期的仿真曲線。用戶可通過分別單擊Vertieal Axes(Y軸)、Time Axes(時間軸，即x軸)標(biāo)題下面所對應(yīng)的按鈕，對坐標(biāo)軸進(jìn)行設(shè)置(簡稱“軸設(shè)置”，Axis Setting)，以便于分析仿真波形的細(xì)節(jié)。例如，在啟動過程中和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的全部開關(guān)電流仿真波形如圖5所示。

單擊Line and Load Condition (線路和負(fù)載條件)按鈕，可修改輸入直流電壓和輸出功率，重新進(jìn)行大信號仿真。單擊Line and Load Conditions(線路和負(fù)載條件)按鈕，顯示仿真條件(SimulationConditions)對話框。軟件的上述功能可在設(shè)計(jì)過程的最初就開始檢查瞬態(tài)響應(yīng)。以減少設(shè)計(jì)風(fēng)險，提高工作效率。

4 POWER 4-5-6軟件的設(shè)計(jì)實(shí)例
利用POWER 4-5-6中的Forward 7．24軟件設(shè)計(jì)一個降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：
直流輸入電壓范圍 22~26V；
額定值 24V；
輸出電壓 15V：
額定輸出電流 3A，
最小輸出電流 0．1A。
設(shè)計(jì)成工作在電流模式的非隔離式(Nonisolate)開關(guān)穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率為200kHz，最大占空比為90％，穩(wěn)壓器效率應(yīng)超過80％。
打開Forward 7．24軟件，在變換器的設(shè)計(jì)面板上，單擊Enter Power Speeifieations按鈕，進(jìn)入選擇開關(guān)電源的輸入、輸出參數(shù)的面板。然后單擊OK按鈕，返回變換器的設(shè)計(jì)面板，該穩(wěn)壓器只有輸出濾波電感，未使用高頻變壓器。選擇降壓式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Buck)。單擊PWM Mode按鈕，顯示PWM Control Mode(脈寬調(diào)制控制模式)對話框，控制類型選擇電流模式(Current-Mod)，設(shè)置好的脈寬調(diào)制控制模式對話框如圖6所示。單擊Control Design菜單，進(jìn)入控制電路設(shè)計(jì)面板。單擊
藍(lán)色按鈕，可對控制電路的小信號進(jìn)行分析。

最后單擊Circuit(電路)菜單，顯示降壓式變換器的全部設(shè)計(jì)結(jié)果。所列出的電源參數(shù)表如圖7所示。由圖7可見，該降壓式變換器完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該變換器的輸出電壓及電感器電流的仿真波形分別如圖8(a)、圖8(b)所示。