《开关电源仿真与设计》-心得2-电源的小信号建模

yangjiaxu

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《开关电源仿真与设计--基于SPICE(第2版修订版)》的第二章主要讲解的是小信号建模，所谓电源中的小信号建模是一种用于分析电源系统在小扰动下动态响应的方法。具体来说，它通过线性化处理，将非线性系统在某个工作点附近近似为线性系统，以便使用线性系统理论进行分析和设计。

电源中的小信号建模主要包括以下几种模型：

• 状态空间平均模型
• 传递函数模型
• 等效电路模型
• 频域模型
• 小信号扰动模型
• 开关网络模型
• 阻抗模型

作者在这里主要玩耍了一下“状态空间平均模型”

其实状态空间平均模型是开关电源建模中一种强大且通用的工具，特别适用于 DC-DC变换器 和 AC-DC变换器 的分析与设计。它的主要优点在于精确性和通用性，但也存在高频特性不足和线性化限制等缺点。在实际应用中，通常需要结合其他模型（如开关网络模型或频域模型）来弥补其局限性。不过，对于我这种应用选手来说，确实有些难了，现在的DCDC电路基本上就是拿来参考就用，顶多是调调阻容和电感的大小和尺寸，布局方式等等，一般使用模型分析的确实还是较少。

接下来作者又讲述关于PWM开关模式，这个是DCDC常用的一种电源变换器的一种方法，比如我经常使用的TI的TPS5430就是一种高输出电流PWM转换器，其集成了低电阻、高侧N沟道MOSFET，还包括高性能电压误差放大器（可在瞬态条件下提供高稳压精度）、欠压锁定电路（用于防止在输入电压达到 5.5V 前启动）、内部设置的慢启动电路用于限制浪涌电流）以及电压前馈电路（用于改进瞬态响应）。通过使用 ENA 引脚，关断电源电流通常可减少到15μA。其他特性包括高电平有效使能端、过流限制、过压保护和热关断。为降低设计复杂性并减少外部元件数量，对TPS5430反馈环路进行内部补偿。

接下来和大家分享一下关于TPS5430的电源电路与仿真解析。下图为TPS5430的电路设计，采用DC12V输入，输出要求为5V/3A，采用异步整流模式，电路如下：

电路设计较为简单，输入用一个电容22uF的电容，但是实际电路上基本是采用铝电解电容效果会好一些，并且会并联一个0.1uF的薄膜电容。再输出端采用PWM开关模式，电感采用15uH的功率电感，其功能是整流功能，采用D1肖特基二极管作为续流功能，输出boot串联一个10nF的电容作为滤波，采用Rfbt和Rfbb作为电压调节功能存在。最后在负载前端并联一个铝电解电容其参数建议为330uF，耐压值建议为输出电压的2倍以上。接下来是仿真图，如下所示：

由于不习惯使用SPICE软件，所以本次仿真才用的是TI的WEBENCH POWER DESIGNER在线设计工具，TI是提供了关于SPICE模型的，所以有好奇的话，可以自行下载。本次仿真输出的是波特图，波特图（Bode Plot）是一种用于分析线性时不变系统频率响应的图形工具，广泛应用于控制工程、电子电路和信号处理等领域。它通过绘制系统的幅频特性和相频特性，直观地展示系统对不同频率信号的响应。

从仿真结果来看，低频增益为63.25dB，交叉频率为12.62 kHz，相位裕度为59.94 Deg。从结果来看，低频增益较好，稳态误差小：高增益减少输出电压与目标值的偏差。动态响应快：快速应对负载突变和输入电压变化。稳定性强：在满足带宽需求的同时保证系统稳定。其相位裕度能够达到大于45°系统可以很快进入到稳定状态。最后分享一下关于该电源的PCB布局参考。

总的来说，电源提前仿真会很容易了解这颗电源的优缺点，并知道如何调整，在电路设计的时候会有很好的辅助意义。