开关电源仿真设计.ppt

第7章 开关电源仿真设计 开关电源的计算机仿真需要解决两个基本问题： 1、如何建立电路方程（仿真模型）； 2、如何求解电路方程。 开关电源系统的仿真步骤： 1、建立系统的仿真模型，从而获得描述系统的方 程式 2、构造求解系统方程的算法。当系统比较简单或 者系统的阶数较低时，通常可以得到系统的解析解 ；但当系统较复杂或系统的阶数较高时，一般只有 借助于计算机仿真方法，才能够对系统设计进行仿 真。 开关电源电路的建模方法 1、状态变量法：以电路中的某些支路电压 和电流作为状态变量，建立开关电源电路的 状态方程。 2、节点分析法：EMTP、ATP、PECAN等 程序 3、改进的节点分析法：求解方程时采用直接法， 即将非线性代数微分方程转换为一组非线性差分 方程，应用牛顿拉夫逊法迭代求解方程组，利用 稀疏LU分解技术连续求解线性代数方程组。 4、状态空间平均法：利用一周期内平均状态变量 ，将一个非线性、时变、开关电路转变为一个等效 的非线性、时不变的连续电路，因而可对开关转换 器作大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数 及零、极点配置，建立一个状态空间平均电路模型 。 SPICE和IsSPICE仿真程序 SPICE是一种通用集成电路计算机分析程序，可用 其对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态时域分 析和交流小信号时域和频域分析等。 SPICE应用了一组电路模型方程，基本分析工具是 牛顿拉夫逊迭代法。 SPICE、IsSpice的仿真结果以数据文件形式表示 ，可以将它输入其他软件如MATLAB等，以便进一 步对电路性能进行评估和寻优。 MATLAB语言在开关电源仿真中的应用 1、理想开关电源仿真模型：理想开关电源由一个 电阻(Rm)、一个电感(Lm)和一个受逻辑信号G控 制的开关串联构成。 理想开关电源完全由门极信号(G0或G0)控制。 当G = 0，阻断正反向电压及电流为零。 当G0，电压为零，电流可双向流动。当触发时， 开关在开与关状态的转换瞬间完成。 理想开关模块还包括一个与之并联的Rs-Cs串联的缓 冲电路。可以指定缓冲电路的Rs和Cs 当指定Cs = 0时，缓冲电路为纯电阻 当指定Rs0时，缓冲电路为纯电容。 当指定RsInf或Cs = 0时，在理想开关的图标上将 不显示缓冲电路 (a)带缓冲电路的图标 (b)不带缓冲电路的图标 理想开关模拟示意图 2、晶闸管的仿真模型：晶闸管模型由一个电阻 (Ron)、一个电感(Lon)、一个直流电压源(Vf)和一 个开关串联而成。开关由一个逻辑信号控制，该逻 辑信号由电压VAK、电流IAK和门极触发信号G决 定。 晶闸管模块包括一个Rs-Cs缓冲电路，它通常与晶闸 管并联。可以指定缓冲电路的Rs和Cs 指定Cs = Inf时，缓冲电路为纯电阻电路 当Rs = 0时，缓冲电路为纯电容电路。 当指定Rs = Inf或Cs = 0时，在晶闸管的图标上将不 显示缓冲电路 带缓冲电路的图标 不带缓冲电路的图标 晶闸管的伏安特性 当阳极和阴极之间电压大于转折电压Vf且门极触发 脉冲为正向(G0)时，晶闸管导通。触发脉冲的幅 值必须大于零且有一定的持续时间，以保证晶闸管 阳极电流大于掣住电流。 当流过晶闸管的电流下降到零(IAK = 0)，且阳极和 阴极之间施加反向电压的时间为晶闸管的关断时间 Tq时，晶闸管关断。 如果阳极和阴极之间施加的电压在小于晶闸管的关 断时间Tq内变正，即使没有门极触发信号(G = 0) ，阳极电流小于掣住电流，晶闸管也将自动导通。 晶闸管的模拟示意图 为了避免代数环(（Algebraic Loop），晶闸管模 型中的Lon不能为零。每增加一只晶闸管，就增 加一个电路的状态变量。因为晶闸管用电流源来 模拟，所以它不能和电感、电流源以及开路电路 串联，除非使用了缓冲电路。 MATLAB在开关电源仿真中的应用 （1）运用MATLAB强大的计算功能求解开关电源 变换器方程式。 （2）运用MATLAB频域分析的工具研究电源变换 器系统的控制性能。 （3）运用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿 真电源转换器系统。 开环降压式变换SIMULINK仿真 降压式变换器的电路原理图 IsSPICE的组成及功能特点 1、电路图输入软件SPICENet 2、IsSPICE仿真软件的模型库 3、数模混合开关电源电路仿真软件IsSPICE4 4、IsSPICE仿真软件的波形处理与分析软件 IntuScope 5、IsSPICE仿真软件的符号编辑器Symbol Editor 6、IsSPlCE仿真软件的文字编辑软件IsEd 开关电源的最优设计 1、可行性设计 ：根据开关电路的基本原理，推导 出开关电源的一些计算公式，并根据以往设计经验 所提供的经验数据，可以对开关电源进行初步设计 ，结合实验，反复修正，最后可以得到满足给定性 能指标要求的设计。 2、最优设计：融合数学方法与计算机辅助寻优方 法于一体的方法。 最优设计与可行设计关系是非常密切的，最优的设 计一定是可行的，反之则不同，可行的设计不一定 是最优的设计。 开关电源的主要性能指标 1、输出/输入电压比（VoVi） 2、输出功率Po 3、变换器效率 4、输出电压纹波Vo 5、对输入电压源Vi的电磁干扰（EMI）幅度的 限制 开关电源主电路设计的内容 电路拓扑形式的选择 开关晶体管、整流二极管的电流及电压的选择 输入输出滤波器形式以及参数的确定 计算磁性元件（电感、变压器、电流互感器 等）的磁心规格、尺寸和绕组匝数、导线规 格，以及电容的选择等。 在开关电源的瞬态最优设计内容 选择反馈控制方式：电压反馈或电压、电流反 馈，分别称为单环和双环控制 补偿网络的拓扑形式：比例积分微分或PID 放大器，PID参数的最优设计等。 最优设计的基本内容 1、目标：使某个技术指标或经济指标为最优 2、变量：使得技术指标或者经济指标达到最优的参 数值。 3、约束：求最优参数时要满足各项性能或结构工艺 要求，即为求目标函数极值时所加的约束。 目标和约束是开关电源最优化设计变量的线性或非线 性函数，一般情况下，工程优化问题中是非线性问题 。因此，在数学上，开关电源的优化设计问题归结为 求解有线性或者非线性约束的非线性多变量（目标） 函数的极值问题。 1、设计变量：开关电源在优化过程中，在尚未到 达最优值时，随着迭代过程而不断变化的待确定的 一组参数 2、目标函数：选取一定的准则函数来判断一个设 计方案是否达到最优。例如要求开关电源的输出电 压纹波最小，那么输出电压纹波的数学函数就是这 个准则函数。 3、 约束：在对开关电源或者其子电路进行优化设 计时，用等式约束或不等式约束表示设计结果应满 足的各项技术指标或者性能指标要求及其他结构或 工艺上的要求。 优化数学模型的一般表示形式 开关电源工程优化设计的含义可描述为选择n个最 优设计变量x* = (x1*，x2*，x3*，xn*)T 使某个目标函数值为极大或极小，并满足各项技术 性能指标或其他设计要求。 对于n维无约束优化问题，一般情况下，可用下列 数学模型描述 min f(x) max -f(x) x En 有m个不等式约束和p个等式约束的n维优化问题可 用下列数学模型描述： min f(x) x En s.t. gi (x) 0 i = l，2，3，m hij(x) 0 j = l，2，3，p pn 开关电源工程优化设计的特点 （1）优化设计方法是把