《开关电源仿真与设计》-通用模型

戈壁滩上的辉煌

《开关电源仿真与设计》-通用模型 [复制链接]

        本章详尽阐述了电源仿真不可或缺的核心元件。一旦电路运行稳定，无缝切换至备选的高级模型以替代通用运算放大器模型便成为可能。调试过程可由简至繁，逐步精化模型，确保其更贴近实际工况。首要任务是构建一个由通用模型与子电路构成的工具箱，随后探索其如何协同工作，共同构建出功能全面的PWM控制器。我们的起点是内嵌式设计，因为它是模拟行为建模（ABM）的基石与灵魂。

        内嵌式非线性受控源，即B元件，作为伯克利SPICE3引擎的精髓，自1986年问世以来，便以其独特的语法魅力吸引着众多用户。其设计不仅精妙，更与SPICE3仿真器的卓越兼容性相得益彰。B元件功能强大，能够灵活扮演线性或非线性电流、电压源的角色，满足多样化的电路仿真需求。

        在无需详尽模拟运算放大器全部物理特性（如失调电压、偏置电流、转换速率等复杂因素）的场合，采用简洁而通用的模型往往能高效捕捉其一阶效应。此类模型以其快速的仿真能力著称，通过灵活调整参数值，能够轻松适配各种运算放大器的具体规格要求。

        对于特定应用如内部参考电源，具备指定扇出数的电源设计往往超越简单地将静态电阻串联的模型范畴。扇出数，即电源在超出其调节界限前所能供应的最大电流，成为另一关键考量因素。为直观阐述这一特性，内嵌式模型成为理想之选。当参考电压与输入节点紧密相连（设想参考电源电路由e电源驱动时），直流音频敏感性（亦称电源纹波抑制）便成为评估性能的自然维度。

        磁滞开关IsSpice集成SPICE核心组件，其特性深受磁滞效应影响。具体而言，当施加于其上的控制电压跃升至Vr + VH的阈值时，该开关瞬间由断路状态转变为通路状态，其电阻值也随即从RoFF切换到RoN。此处的Vr为启动电压阈值，而Va则代表了磁滞的电压范围。反之，若控制电压回落至Vr-Va水平，开关则迅速恢复至断路状态，电阻值回归RoFF。值得注意的是，此转换过程理论上瞬时完成，但实际应用中需谨防收敛性问题，建议通过引入微小时间常数等手段加以优化。

        欠压锁定(UVLO)功能中的磁滞开关展现了多元化的应用潜力，尤其是在构建具备磁滞效应的比较器时。无需额外参考电压或复杂内嵌设计，仅凭磁滞开关模型，即可迅速构建UVLO电路。此电路广泛应用于PWM控制器及其他关键电路中，确保电源电压维持在稳定变换器运作所需的阈值之上。其必要性源于内部参数（诸如VoFF=8能带隙）对充足工作电压裕量的依赖，以及对MOSFET栅极偏置电压的严格要求。UVLO电路持续监测Vee电压，一旦降至预设阈值以下，即自动关闭控制器以防止不稳定运行。反之，当Vee电压回升并超越另一设定阈值时，控制器将自动重启。标准配置中，通常设定在12V时启动供电，而在约8V时则停止向MOSFET提供驱动信号，这些数值虽为离线控制器的常见设定，但实际应用中可根据需求灵活调整。

        前沿消隐：开关电源，其本质为噪声伴随的变换装置，常面临尖峰干扰的挑战，源自电容充电过程、寄生元件瞬时短路及二极管受反向恢复时间影响下的突然截止等现象。在反激式架构中，主开关的闭合、原边寄生电容的放电，以及CCM模式下副边二极管的突然阻断，均会在原边电路中激发电流尖峰。此尖峰经电流检测元件捕获后送入控制器，依据控制器的工作状态，可能扰乱电流限制机制，甚至在电流模式电路中触发比较器复位。为应对此问题，传统上采用RC网络作为缓解措施，但现代设计中更倾向于前沿消隐（LEB）电路的应用。该电路在激活后，仅于数百纳秒窗口内传递检测到的电流脉冲，有效策略在于：若开关闭合时产生尖峰，LEB电路将使系统对该周期内的特定事件保持静默，待后续周期再全面恢复信息传输。

        精通比较器模拟电路的设计者，鲜少单纯依赖比较器本身，而不融入磁滞机制。这一创新融入，显著增强了电路的抗干扰韧性，尤其在高开环增益环境中，确保了转换过程的精准无误与响应敏捷。通过在比较器两端巧妙配置电阻，可加速磁滞效应的显现，不过，这一过程需辅以精细计算，以精确锁定所需的磁滞量值。

        逻辑门：若旨在避免重构庞大的逻辑库，转而定制专属的简易逻辑门，内嵌式方法无疑是高效之选，其执行速度远超繁琐的全功能门模拟。此外，在模型构建之际，摆脱对仿真软件内置逻辑库的依赖，转而聚焦于个性化逻辑函数的集成，更为灵活便捷。

        变压器：为一个简单的双绕组变压器建模,可以用SPICE的基元k,它表示原边和副边之间的耦合比。

        非稳态发生器：非稳态发生器在涉及开关周期的应用中展现其效能，而弛豫机制的生成则策略多样一种创新途径，它不仅实现了恒流源的功能，还巧妙地融入了先前阐述的磁滞比较器概念，作为替代方案。此设计中，电容首先被充电至预设的参考电压，随后通过X2控制的开关迅速放电，从而开启下一个循环周期。通过精心设计的缓冲机制，该系统能无缝集成，高效生成PWM斜坡信号。值得注意的是，RoN值在此系统中的作用至关重要，其显著提升的数值不仅优化了收敛性能，还有效减轻了因电容C通过较低RoN值放电时可能引发的种种问题，确保了系统的稳定运行与高效能输出。

        通用控制器：鉴于PWM模型的全面性与复杂性，其仿真过程往往耗时较长，令人望而生畏。尽管在某些场景下，详尽的仿真确属必要，但在初期阶段，比如迅速验证电路架构或创意时，采用完整PWM模型则显得冗余。本书亮点在于引介一系列高效通用模型，并直观展示其惊人的仿真速度优势。这些模型涵盖电压模式、电流模式、推挽、半桥、双开关结构等多元化选项。

        短脉冲发生器：生成与方波信号同步的短暂脉冲，如用于设置/复位锁存器或执行捕捉操作。单稳态触发器电路构建简便，其工作机制在于输入信号的反转随即经RC网络延迟。脉宽的计算利用SpiceNET的参数化功能，持续时间得以自动测算，此便捷性同样适用于CADENCE环境。反相器、与门及特定时间常数构建的单稳态触发器，在集成电路设计实践中，为了在与门输入端生成所需的传输延迟以形成此类短脉冲，常采用多个串联的反相器/缓冲器来替代RC网络。

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变压器：为一个简单的双绕组变压器建模,可以用SPICE的基元k,它表示原边和副边之间的耦合比。

        非稳态发生器：非稳态发生器在涉及开关周期的应用中展现其效能，而弛豫机制的生成则策略多样一种创新途径，它不仅实现了恒流源的功能，还巧妙地融入了先前阐述的磁滞比较器概念，作为替代方案。此设计中，电容首先被充电至预设的参考电压，随后通过X2控制的开关迅速放电，从而开启下一个循环周期。通过精心设计的缓冲机制，该系统能无缝集成，高效生成PWM斜坡信号。值得注意的是，RoN值在此系统中的作用至关重要，其显著提升的数值不仅优化了收敛性能，还有效减轻了因电容C通过较低RoN值放电时可能引发的种种问题，确保了系统的稳定运行与高效能输出。

明月半倚深秋i

谢谢，学习了+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1

bmahu001

通用模型的局限性在哪些方面？