TPS54310的平均SPICE模型的建立與應用

同步整流管模型的構建

TPS54310同步整流管模型簡(jiǎn)化地用具有更小正向電壓降的肖特基二極管來(lái)模擬。對理想二極管，正向電壓降的公式：

（圖9）同步整流管模型的I-V仿真特性曲線(xiàn)

一般用增大飽和電流IS的辦法建立肖特基二極管的模型。用ICAP4軟件包中的模型提取工具 SpiceMod，可以快速地建立同步整流管模型，如下： .MODEL D_SYNC D (IS=3.99M RS=2.8M N=1 CJO=10P VJ=0.75 M=0.333 TT=1.0N)。

（圖9）是仿真的同步整流管模型I-V特性曲線(xiàn)。

可以看出，當電流為3A時(shí)，正向電壓降為0.18V。

這個(gè)結果與TPS54310的同步整流管在3A時(shí)的壓降3*0.059=0.177V是吻合的。

最終建立的TPS54310的平均SPICE模型內部電路見(jiàn)（圖10），（圖11）是對應的宏模型塊的符號，供畫(huà)仿真電路圖時(shí)調用。定義的6個(gè)管腳除VERR外，都與TPS54310的實(shí)際管腳一致。管腳VERR用來(lái)在開(kāi)環(huán)交流小信號仿真時(shí)插入交流信號源。TPS54310的模型需輸入四個(gè)參數：開(kāi)關(guān)頻率FS，儲能電感值L，儲能電感的歐姆電阻RS，高頻開(kāi)關(guān)管的導通電阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE網(wǎng)絡(luò )文件見(jiàn)附件。

（圖11）TPS54310宏模型塊符號

3 TPS54310的平均SPICE模型的驗證與應用

為了驗證模型的正確性，用TI公司提供的專(zhuān)用設計軟件SWIFT? Designer 2.01設計了五種DC-DC變換電路，然后利用前面所建的TPS54310模型，構成同樣的DC-DC變換器的仿真電路，在ICAP4軟件上進(jìn)行直流分析和交流小信號分析，比較這兩種方法獲得的數據，見(jiàn)（表1）?？梢钥闯?，二者的差別非常小。因此有理由認為，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。

（圖10）TPS54310的平均SPICE模型內部電路

表一

（圖12）TPS54310演示板直流和交流小信號仿真電路

（圖13）

（圖15）負載瞬態(tài)響應仿真波形

（圖16）輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)

（圖14）TPS54310演示板負載瞬態(tài)響應和輸入音頻擾動(dòng)衰減率仿真電路

下面，利用前面所建的TPS54310平均 SPICE模型對TI公司提供的演示板電路進(jìn)行全面的仿真分析。直流和交流小信號分析的仿真電路見(jiàn)（圖12），直流工作點(diǎn)標注在圖上。得到的系統的開(kāi)環(huán)頻率特性（幅頻和相頻）見(jiàn)（圖 13）。環(huán)路增益交越頻率為44KHz，過(guò)0dB 時(shí)，相移為83.1度，證明該電源系統是穩定的。（圖14）是仿真負載瞬態(tài)響應和輸入音頻擾動(dòng)衰減率的電路圖。注意仿真技巧，C3 由（圖12）的1kF變?yōu)?pF,相當于交流開(kāi)路節點(diǎn)8和4；同時(shí)，L1 由（圖12）的1gH變?yōu)?pH,相當于交流短路節點(diǎn)8和5，形成閉環(huán)。分段線(xiàn)性源ILoad模擬負載電流的瞬間突變（在1us內跳變3A）。（圖15）是負載瞬態(tài)響應波形。在電源輸入端插入1Vac 的交流電壓源，在節點(diǎn)9得到如（圖16）所示的輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，反映了系統對小信號正弦波輸入電壓擾動(dòng)的抑制能力。為了研究系統對負載擾動(dòng)的抑制能力，在輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)負載瞬態(tài)響應仿真波形輸出端插入1Aac的交流電流源（仿真電路略），在節點(diǎn)9可得到閉環(huán)輸出阻抗，見(jiàn)（圖17）。至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已對TI公司提供的演示板電路進(jìn)行了較全面的動(dòng)態(tài)指標的仿真分析，包括穩定性，快速性和抗擾動(dòng)性，這是TI的設計軟件SWIFT? Designer 2.01所不能給出的。

（圖17）閉環(huán)輸出阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)

4. 總結

建立TPS54310平均SPICE模型的意義在于，只需要廠(chǎng)家公開(kāi)的電源IC的技術(shù)資料，就能提取具有相當準確度的模型，方便設計者在制作出實(shí)際的電路之前，對電源的性能，特別是動(dòng)態(tài)性能做出全面的評估，從而指導設計者對電源進(jìn)行優(yōu)化。而且比起開(kāi)關(guān)模型來(lái)說(shuō)，占用機時(shí)少，有很高的仿真效率。對比廠(chǎng)家給出的原始設計軟件，運用平均SPICE模型在通用電路分析軟件上仿真更靈活，更強大，應該是原始設計軟件必不可少的補充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流BUCK型DC-DC模塊平均SPICE模型的通用電路框架，具有一定的普遍性。稍微調整幾個(gè)模型參數，就可以建立TI公司整個(gè)SWIFT電源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。對其他廠(chǎng)家的電源IC產(chǎn)品，通過(guò)適當修改也可以方便地建立它們的平均SPICE模型。