第九部分:开关电源的模拟仿真本章节主要论述如何对实际电路建立模型，并使用电脑模拟仿真软件来对实际电路进行仿真分析，研究电路特性和进行电脑模拟实验以达到对新开发电路的性能的评估及潜在风险的分析理解．本章以正激变换器为例，介绍包含有ＡＣ输入整流，基本正激变换部分，输出部分电路的模拟仿真以及获得有关工作波形的过程以便让学生得到一个关于模拟仿真的感性认识，在以后实际工作中能结合ＰＳＰＩＣＥ的操作说明进行简单单元电路的仿真分析．开关电源的模拟仿真•1.几种电路仿真器的介绍•１．ＳＰＩＣＥ简介•２．ＭｕｌｔｉＳＩＭ简介•３．Ｍａｔｌａｂ简介•２．输入整流滤波电路的仿真•１．输入整流滤波电路模型•２．仿真结果•３．仿真波形解说•３．基本变换器部分的模拟仿真•１．未施加反馈的模拟仿真•２．施加反馈的模拟仿真•３．仿真结果和波形解说•４．仿真器问题归纳和总结2电源电路的模拟仿真SPICE (simulation program with intergrationcircuit emphasis) 的由来:•1973 由加州大学发布SPICE 1,而后陆续推出2,3 等版本.•企业界在如SPICE前最新已推出MICROSIM PSPICE9.1推出的基础上自行改良建立新的适合特定开发目标的仿真模拟器PSPICE(Personal-SPICE).现在用得比较多的是6.2版,目,•PSPICE特点•可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真件，在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的EDA软电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。美国有MicroSim公司推出软件Design-Center5.1,属于Windows版本,软件中除了电路波形及储存PSPICE5.1程序外,还包括若干辅助程序,可直接绘制仿真模型电路图,的参数,无需写入程序,打印,,信号源波形产生和编辑程序这大大方便了现代模拟仿真应用;用户可直接提取所需元件显示.1.模拟仿真软件介绍•multiSIM(EWB的最新版)•由Interactive Image Technologies Ltd.于上世纪末推出,目前普遍使用muLtiSIM2001.•multiSIM的特点:•具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果，并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器（对于multiSIM7还具有四踪示波器）、波特仪（相当实际中的扫频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件，比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。数字电路方面有74分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）和系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。Agilent信号发生器、MultiSIM7Agilent还具有万用I-V表、Agilent示波器和动态逻辑平笔等。同时它还能进行VHDL仿真和VerilogHDL仿真。•这款软件集电路图仿真模型,直接用于仿真,仿真模型绘制于一体.,可直接在屏幕上绘制电路图,由电路图直接生成3模拟仿真软件介绍•MATLAB产品族：•它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C++代码等功能。MATLAB产品族具有下列功能：数据分析；数值和符号计算、工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。输入整流电路的模拟仿真•如下图,是一个已简化了的输入整流电路的等效电路即电路模型.下面所用的仿真软件即为MicroSim的仿真软件电流PROBE启动防冲击及连接阻抗120VAC50Hz模拟负载电阻交流阻抗(滤波电感,电容等)4输入整流电路的模拟仿真•在图中所示:•Rac为输入线路的阻抗,应设定为工频交流阻抗•R1为防冲击电路及其他元件的等效阻抗•因此电源的功率为100W,所以在120VAC输入的条件下,整流滤波电路的输出阻抗就近似为Rdc=100欧•仿真结果:•1.仿真器模拟输•入电压波形输入整流电路的模拟仿真•仿真模拟输出电压仿真模拟输入电流5输入整流电路的模拟仿真•改变负载电阻阻值(50—1K)仿真结果不同的负载时的输入电流也有所不同基本变换器部分的模拟仿真•开环的模拟仿真•正激变换器开环等效电路方波发生器20KHz,30%,15V输入电压,以直流形式6基本变换器部分的模拟仿真•在上图中:•1.负载电阻设定值由输出电压和输出电流定,本例中输出电压为5V,输出电流20A.因而设定负载电阻为0.25R.•2.为更好的模拟仿真电解电容,特考虑其串联ESR=5m欧.•3.变压器的模型采用标准XTRA,其参数设顶定见下图:图中的电阻值是变压器绕组的实际铜损.4.在驱动,MOSFET漏极,输出整流二极管,需流二极管上均加了PROBE,以便观察电流波形.5.因是开环状态,所以VSOC设定为20KHz,15V,占空比为30%的方波.基本变换器部分的模拟仿真•1mS内的仿真结果波形:驱动电压和电流波形7基本变换器部分的模拟仿真•1mS内的仿真结果波形MOSFET漏极电压,电流波形基本变换器部分的模拟仿真•1mS内的仿真结果波形漏极电压波形放大图漏极电流波形放大图8基本变换器部分的模拟仿真•1mS内的仿真结果波形驱动电压波形驱动电流波形基本变换器部分的模拟仿真•整流二极管电流波形（ＸＤ２）续流二极管电流波形（ＸＤ３）9基本变换器部分的模拟仿真•输出电压波形基本变换器部分的模拟仿真•上述模拟波形并没有上冲电压，电流，因为在设定变压器的耦合度为Ｋ＝１，整流二极管的延时时间为０，属于理想工作状态的模拟．•如果在变压器耦合度Ｋ＝０．９８，使变压器的漏感增加，并令输出整流二极管的反向恢复时间为１００ｎＳ时，其模拟仿真波形见下图：10基本变换器部分的模拟仿真•增加漏感，增加整流二极管的反向恢复时间基本变换器部分的模拟仿真•由上述波形可以看出：电压，电流均出现过冲．•实际制作的样机实测波形：11基本变换器部分的模拟仿真•闭环的模拟仿真闭环的等效电路等效ＥＳＲＰＩＤ环节三角波发生器基本变换器部分的模拟仿真•仿真波形12基本变换器部分的模拟仿真•波形展开基本变换器部分的模拟仿真•输出电压波形13进一步的开关电源可靠性分析•1．电路潜在状态分析•2．ＦＭＥＡ问题1．电路潜在状态分析半桥电路142．ＦＭＥＡ问题15