同步整流BUCK型DC-DC模塊TPS54310的平均SPICE模型
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1 引言
自從1978年，R.Keller 首次運用R.D.Middlebrook的理論進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的SPICE仿真，近30年來(lái)，在開(kāi)關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了自己的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長(cháng)，比較有代表性的有：Dr. Sam Ben-Yaakov的開(kāi)關(guān)電感模型；Dr. Ray Ridley的模型；基于 Dr. Vatche Vorperian的Orcad9.1的開(kāi)關(guān)電源平均Pspice模型；基于Steven Sandler的ICAP4的開(kāi)關(guān)電源平均Isspice模型；基于Dr. Vincent G. Bello的Cadence的開(kāi)關(guān)電源平均模型等等。本文將在Dr. Sam Ben-Yaakov開(kāi)關(guān)電感模型概念的基礎上，結合TI公司的DC-DC變換器IC TPS54310的主要參數進(jìn)行平均SPICE宏模型的構建，并對利用所建模型構成的DC-DC變換器電路在Intusoft公司的ICAP4軟件平臺上進(jìn)行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。
2 TPS54310的平均SPICE模型的建立
TPS54310是美國TI公司推出的集成功率MOSFET的直流/直流變換器IC系列SWIFT的新成員，3V 至 6V輸入，0.9V 到 3.3V可調輸出，連續額定電流達3A。TPS54310集成了構成同步整流BUCK型DC-DC模塊所有需要的有源器件， 內部電路框圖見(jiàn)（圖1）。
（圖1）TPS54310內部電路框圖
主電路模型的構建
主電路模型包括開(kāi)關(guān)電感SIM模型、占空比發(fā)生器DCG以及損耗發(fā)生器模型三部分。
1. 開(kāi)關(guān)電感SIM模型
仔細研究經(jīng)典PWM開(kāi)關(guān)轉換器的電路拓撲（buck，boost,buck-boost），可以發(fā)現它們均包含一個(gè)非線(xiàn)性模塊，即用來(lái)儲能的可開(kāi)關(guān)的電感，見(jiàn)（圖2）。因為變換器的系統帶寬要小于開(kāi)關(guān)頻率，因此可以把這個(gè)非線(xiàn)性模塊作平均處理，然后用與SPICE兼容的等效電路代替，就可以得到PWM開(kāi)關(guān)轉換器的平均SPICE模型。這個(gè)低頻的或者平均的等效電路見(jiàn)（圖3），用SPICE中的非線(xiàn)性獨立源構成。EL代表儲能電感L兩端的平均電壓。
(1)
流過(guò)開(kāi)關(guān)電感各端口的平均電流如下：
（2a） IL代表流過(guò)儲能電感L的平均電流
（圖3）開(kāi)關(guān)電感模型
（圖2）開(kāi)關(guān)電感
（1） 式和（2a）~ （2c）式的關(guān)系適用于CCM連續電感電流和DCM不連續電感電流兩種工作模式。
2. 占空比發(fā)生器DCG
TPS54310內部采用電壓模式的脈寬調制器，PWM比較器把誤差放大器輸出的控制電壓與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生所需的接通占空比DON，如（圖4）所示。查T(mén)PS54310數據手冊中的關(guān)鍵特性參數表可得， VL=0.75V，VH=1.75V，所以
（圖4）
（圖5）
對應（3）式的等效模型見(jiàn)（圖5），X1是增益為1的增益宏模型，可從ICAP4的模型庫里直接調用。斷開(kāi)占空比DOFF的產(chǎn)生比較復雜，分為下面兩種情況：
DCM模式 
CCM模式 
對應（4）式和（5）式的等效模型見(jiàn)（圖6）。其中，非線(xiàn)性獨立電壓源EDOFF對應（4）式
（圖6）
在CCM模式下，DOFF≥1-DON，理想二極管D2導通，這時(shí)，
可以看出，DOFF發(fā)生器模型在DC-DC轉換器進(jìn)入CCM模式和DCM模式時(shí)是自適應的，在仿真過(guò)程中無(wú)需人工切換。理想二極管D1的作用是確保DOFF不小于0。
3. 損耗發(fā)生器模型
TPS54310 DC-DC轉換器的損耗主要有三部分：整流損耗、高頻開(kāi)關(guān)損耗和儲能電感的平均歐姆損耗。整流損耗模型用一個(gè)非線(xiàn)性獨立電流源和TPS54310內部的同步整流管模型構成；高頻開(kāi)關(guān)損耗模型用一個(gè)非線(xiàn)性獨立電流源和TPS54310內部的高頻開(kāi)關(guān)管的導通電阻構成；儲能電感的平均歐姆損耗模型用一個(gè)非線(xiàn)性獨立電流源和TPS54310外接儲能電感的歐姆電阻構成。
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