POWER 4-5-6的仿真功能及設計實(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(jiǎn)稱(chēng)，它是從SPICE (Simulation Program withIntegrated Circuit Emphasis)發(fā)展起來(lái)的。利用POWER 4-5-6 Plus Release 8可生成開(kāi)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。在生成PSpiee列表之前需要向軟件指定所必須的傳遞函數。以保證模型中的激勵源有效。當PSpice運行后，用戶(hù)需要指定特定節點(diǎn)的電壓值或者電流值，以研究傳遞函數的校正。變換器常用傳遞函數的分類(lèi)見(jiàn)附表，括號內的數字表示所對應拓撲結構的節點(diǎn)編號。在所有的拓撲結構中，節點(diǎn)5對應于輸出電壓，節點(diǎn)10對應于誤差電壓。

控制回路設計面板可提供多種傳遞函數，POWER 4-5-6 Plus Release 8將PSpice作為一種可獲得小信號傳遞函數的便捷方法。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(dòng)生成。無(wú)論采用電流模式還是電壓模式，各種變換器的控制器和補償器的拓撲結構都是相同的。因此，控制器和補償器可理解成每個(gè)功率級所共有的分支電路，它們的元件值會(huì )根據特定的拓撲結構和元件值發(fā)生變化。POWER 4-5-6 Plus Release 8根據用戶(hù)在控制回路設計面板中指定的輸入及負載參數，自動(dòng)檢測變換器是處于不連續模式還是連續模式。用戶(hù)不需要熟悉PSpice的工作細節，即可使用上述功能。
下面以降壓式變換器為例，介紹其PSpice模型和補償電路的PSpice原理圖。
由POWER 4-5-6 Plus Release 8生成的帶反饋補償電路的降壓式變換器的PSpice模型如圖1所示，圖1中給出了重要的節點(diǎn)編號，藍(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模式，開(kāi)關(guān)電路模型的名稱(chēng)為“PWMCCM”。若POWER 4-5-6辨認出是不連續模式，則開(kāi)關(guān)電路模型的名稱(chēng)會(huì )變成“PWMDCM”。由圖1可見(jiàn)，直流輸入電壓Vin經(jīng)過(guò)濾波器(FILTER)、高頻變壓器(TRANSFORMER),接脈寬調制器(PWM)。ISOLATION表示隔離框，當隔離框與節點(diǎn)10接通時(shí)構成閉環(huán)(closedloop)，若沿著(zhù)虛線(xiàn)與節點(diǎn)11接通時(shí)，則形成開(kāi)環(huán)(open loop)，VC為控制電壓，其負極節點(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為負載電阻。TYPE3表示反饋電路的類(lèi)型。

補償電路的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(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源仿真軟件(第8版)。打開(kāi)POWER 4-5-6 Plus Release 8，選擇降壓式變換器拓撲結構(Buck Topologies)，單擊Start按鈕，啟動(dòng)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計的，單擊這些地方可觀(guān)察相應的電路和參數值。根據POWER 4-5-6的編碼順序，若改變某個(gè)紅色方框中的參數值，則比它編號更大的紅色方框中的參數值也隨之改變。但所設置的參數值必須在允許范圍內，否則POWER 4-5-6會(huì )理解為禁止使用，而使用默認值。單擊小圖標，可觀(guān)察仿真波形并能修改輸入直流電壓和輸出負載。單擊小圖標，可獲得小信號傳遞函數的信息，觀(guān)察環(huán)路增益、功率放大級、補償電路和輸入濾波電路的特性。該面板上共有4個(gè)紅色方框、6個(gè)紅色元器件符號和8個(gè)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(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能在幾秒鐘之內對大信號閉合回路完成200個(gè)周期的仿真。該仿真系統能顯示出開(kāi)關(guān)電源功率級和控制電路中大多數非線(xiàn)性元件的大信號響應。下面仍以正激、推挽式變換器為例，介紹對開(kāi)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，標有藍色字體的4個(gè)Current(電流)按鈕和1個(gè)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)或穩態(tài)波形仿真。下面僅介紹開(kāi)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(kāi)關(guān)電流)波形仿真面板，如圖4所示。若時(shí)間軸選擇“Full Scale”(全尺寸)，還可顯示全部200個(gè)開(kāi)關(guān)周期的波形，用戶(hù)可根據需要放大曲線(xiàn)以研究波形的細節。圖1中的仿真波形是電路達到穩態(tài)并將時(shí)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(hù)在規定大信號仿真條件下，觀(guān)察或分析瞬態(tài)和穩態(tài)仿真波形。在Simulation Options(仿真選項)欄目下面有以下4個(gè)大信號仿真選項。
(1)Start-Up(啟動(dòng))將初始條件清空，用來(lái)顯示啟動(dòng)時(shí)的波形。在此條件下的波形仿真便于研究變換器達到穩態(tài)之前的全部細節，這對研究和分析啟動(dòng)時(shí)的峰值點(diǎn)及輸出電壓的過(guò)沖現象非常有用。
(2)Continue(連續)在完成對前200個(gè)大信號周期的仿真后，顯示后續200個(gè)大信號周期的波形。用戶(hù)可能需要多次單擊這個(gè)按鈕，以等待變換器從啟動(dòng)狀態(tài)或瞬態(tài)過(guò)渡到穩態(tài)。
(3)Steady-State(穩態(tài)) 用于軟件自動(dòng)估算功率級元件的穩態(tài)值，然后將這個(gè)穩態(tài)值作為初始條件，對400個(gè)周期的大信號進(jìn)行計算。經(jīng)這次仿真后，變換器會(huì )非常接近于穩態(tài)。若使用Continue按鈕，就能更接近于實(shí)際穩態(tài)響應。
(4)Repeat(重復) 在與上次仿真完全相同的條件下再進(jìn)行一次仿真，以便當元件或負載發(fā)生變化時(shí)能系統地響應加以比較。但重復條件下的開(kāi)關(guān)電流仿真波形也可能與穩態(tài)開(kāi)關(guān)電流仿真波形相同。
仿真器一般需要幾秒鐘時(shí)間來(lái)計算仿真結果并繪制仿真波形。軟件默認的設置是每次顯示200個(gè)大信號周期的仿真曲線(xiàn)。用戶(hù)可通過(guò)分別單擊Vertieal Axes(Y軸)、Time Axes(時(shí)間軸，即x軸)標題下面所對應的按鈕，對坐標軸進(jìn)行設置(簡(jiǎn)稱(chēng)“軸設置”，Axis Setting)，以便于分析仿真波形的細節。例如，在啟動(dòng)過(guò)程中和達到穩態(tài)時(shí)的全部開(kāi)關(guān)電流仿真波形如圖5所示。

單擊Line and Load Condition (線(xiàn)路和負載條件)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(xiàn)路和負載條件)按鈕，顯示仿真條件(SimulationConditions)對話(huà)框。軟件的上述功能可在設計過(guò)程的最初就開(kāi)始檢查瞬態(tài)響應。以減少設計風(fēng)險，提高工作效率。

4 POWER 4-5-6軟件的設計實(shí)例
利用POWER 4-5-6中的Forward 7．24軟件設計一個(gè)降壓式開(kāi)關(guān)穩壓器。主要設計指標如下：
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。
設計成工作在電流模式的非隔離式(Nonisolate)開(kāi)關(guān)穩壓器，開(kāi)關(guān)頻率為200kHz，最大占空比為90％，穩壓器效率應超過(guò)80％。
打開(kāi)Forward 7．24軟件，在變換器的設計面板上，單擊Enter Power Speeifieations按鈕，進(jìn)入選擇開(kāi)關(guān)電源的輸入、輸出參數的面板。然后單擊OK按鈕，返回變換器的設計面板，該穩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撲結構(Buck)。單擊PWM Mode按鈕，顯示PWM Control Mode(脈寬調制控制模式)對話(huà)框，控制類(lèi)型選擇電流模式(Current-Mod)，設置好的脈寬調制控制模式對話(huà)框如圖6所示。單擊Control Design菜單，進(jìn)入控制電路設計面板。單擊
藍色按鈕，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計結果。所列出的電源參數表如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，該降壓式變換器完全達到設計要求。

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。