（信号与信息处理专业论文）电子设计自动化的研究与工程实现.pdf

西北工业大学硕十学位论文摘要 摘要 本文在调查了国内外电子设计自动化( e d a ) 技术发展现状的基础上，提出 了一种基于e d a 技术软件o r c a d i o 5 的开关电源仿真方法。应用此方法结合智能 充电系统科研项目，建立了该系统主回路部分的仿真模型。通过对该模型进行各 种仿真分析，优化了实际电路。 文中首先介绍了仿真软件核心p s p i c e 的电路仿真原理和特点，结合智 能充电器系统的硬件特点提出了一种模型一模块一系统逐级向上的仿真方法。其 次，重点讨论了系统关键性器件t d a l 6 8 8 8 电源管理芯片、变压器和电感模 型的建立方法；分别讨论了功率因数校正模块、双正激变换电路模块和二次斩波 模块的建模方法。最后，建立了系统整体仿真模型，利用仿真软件优化了比例积 分环节，改善了硬件电路性能，并且结合实际生产需要，对系统进行了容差分析， 在确保生产成品率的基础上最大限度的降低了成本。 经过与理论计算结果和真实电路波形的对比，结果表明：该系统仿真模型真 实、可靠；对模型的优化结论直接使用在实际硬件电路中后优化效果明显。 关键词：电子设计自动化，仿真，开关电源，电路优化， 容差分析 西- l i 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t am e t h o db a s e do nt h es o f t w a r eo r c a d l0 5o fe d a t e c h n o l o g yi sp r o p o s e di n t h i sp a p e rt os i m u l a t et h es m p l ( s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ) a f t e rs e a r c h i n gt h e n a t i v ea n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to f t h ee d a t e c h n o l o g y a p p l y i n gt h i sm e t h o dt o t h ep r o j e c to fd i g i t a li n t e l l i g e n tc l m r g i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rs e tu pas i m u l a t i o n m o d e lo ft h em a i nc i r c u i ti nt h es y s t e m ，a n do p t i m i z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c t u a l c i r c u i tv i am a n yk i n d so f a n a l y s e s f i r s to fa l l ，t h ep r i n c i p l ea n dt r a i to fp s p i c ew h i c hi st h ec o r eo ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r e ，u s e di nt h ec i r c u i ts i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d an e ws i m u l a t i o nm e t h o dw h i c h i sm o d e l - - m o d u l e - s y s t e ms t e p p i n gu pi sp r o p o s e db a s e do na p p l y i n gt h ep s p i c et ot h e d i g i t a li n t e l l i g e n tc h a r g i n gs y s t e m s e c o n d l y ，t h em e t h o do fm o d e ls e t t i n gu po ft h e k e yd e v i c ew h i c hi n c l u d ep o w e rs u p p l ym a n a g e m e n tc h i pt d a l6 8 8 8 ，t r a n s f o r m e r , i n d u c t a n c e ，i se m p h a s i sd i s c u s s e d t h em o d e ls e t t i n gu pm e t h o do ft h et h r e em o d u l e w h i c hi n c l u d ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，t w o t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r s e c o n d l yc h o p p e rc i r c u i t ，i sd i s c u s s e di nd e t m l a tl a s tt h ew h o l es y s t e ms i m u l a t i o n m o d e li sf o u n d ，a n dt h em e t h o do fo p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi s p r o p o s e db yo p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o r t i o n a l i n t e g r a lc i r c u i tu s i n gt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r e t o l e r a n c ea n a l y s i si sa p p l i e dt ot h es y s t e mi no r d e rt or e d u c et h e c o s to f t h ep r o d u c t sb a s e do nt h es u c c e s sr a t eo f t h ep r o d u c t i o ni se n s u r e d a f t e rt h ec o m p a r i n gw i t lt h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o na n dt h ew a v ef o r mo ft h e r e a lc i r c u i t ，t h es i m u i a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mi sp r o v e dt ob ev e r i d i c a la n dr e l i a b l e t h ec o n c l u s i o no fo p t i m i z i n gc a r lb eu s e di nt h er e a lc i r c u i td i r e c t l y , a n dt h ee f f e c to f o p t i m i z i n gi so b v i o u s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ， s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ， t o l e r a n c ea n a l y s i s i i s i m u l a t i o n o p t i m i z i n gc i r c u i t ， 话北_ 业大学硕士学位论文 绪论 1 研究背景 绪论 随着电子工业的发展及大规模和超大规模集成电路的出现，使得电路设计和 分析变得越来越复杂，对电路设计的可靠性和设计周期的要求越来越高，人工设 计、分析电路的途径已无法适应一般要求，因此，借助计算机对电路进行模拟和 分析，变得十分重要；另一方面，随着计算机工业的飞速发展，其速度快、容量 大、精度高且操作方便等特点，使得计算机成为进行电路模拟的一个优秀技术条 件，从而促进了电路模拟技术的发展。 电子设计自动化( e d a ) 就是以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计 算机技术、智能化技术等最新技术成果而研制成的计算机辅助设计( c a d ) 通用 软件包”3 。e d a 作为- - 7 新兴的技术正广泛的应用于机械、电子、通信、航空航 天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域。其中，在电子领域中采用e d a 技术的主要优点如下”。： ( 1 ) 缩短设计周期。采用e d a 技术，用计算机模拟代替手工搭建试验电路， 大大减轻了设计方案验证阶段的工作量，加速了设计进程，缩短了设计周期。 ( 2 ) 提高了设计质量。与传统的数学方法相比较，电路e d a 中采用的元件模 型更为复杂、精确。不仅如此，e d a 工具还可以模拟各种寄生参数的影响。同 时还克服了传统设计方法中因仪器仪表接入而引起的各种误差。 ( 3 ) 降低设计成本。利用e d a 技术，可将传统设计过程中的设计、测试、调 试等工作直接用计算机迅速而方便的进行。从而节约了大量的人力和物力资源。 ( 4 ) 共享设计资源。在e d a 系统中，成熟的模块设计和模型参数均存放在数 据库文件中，用户可直接把这些设计资源共享到网络上供其他设计者使用。 计算机辅助分析是e d a 技术的核心，即将电路的结构和元器件参数等物理信 息输入到计算机中，对电路中的元器件建立相应的数学模型，并进行求解“1 。描 述电路的方程系统决定于元器件的模型方程和由元器件所形成的电路拓扑结构， 通过在不同条件下求解电路方程组，即可达到分析电路设计性能的目的“3 。 西北工业大学硕士学位论文 绪论 2 国内外发展概况 计算机辅助分析是电子技术和计算机技术相结合的产物，早在五十年代，就 有人尝试利用计算机设计滤波器之类的线性网络”1 。六十年代，美国i b m 公司的 b r a n i n 编制了第一个通用电路分析程序t a p ，该晶体管分析程序可对2 0 个左右 的晶体管开关电路进行直流分析和瞬态分析，并以此为基础，发展了节点法列方 程的e c a p 程序”1 。1 9 6 5 年，美国c o r n e l l 大学的p o t t l e 提出了以状态变量法为 基础的网络分析程序c o r n a p ”1 。1 9 6 6 年，k a t z a n d s o n 推出具有非线性分析能力 的a e d n e e 程序0 1 。数值方法的深入研究促进了电路分析技术的发展，而集成电 路的发展又对电路分析提出了越来越高的要求。1 9 7 1 年，美国发表了一系列软 件( 如e c a p y i i 等) ，这些程序的输入语言功能强，元件模型可以嵌套，本身具 有元件库，并用稀疏矩阵技术和隐式积分法求解电路方程“。1 9 7 3 年i b m 推出 a s t a p 程序，该程序用稀疏表格法列方程，具有统计分析功能“。自1 9 7 5 年之 后的电路分析程序广泛采用c h u n gw e nh o 等提出的改进节点法求解电路方程“。 国际上公认的模拟电路通用仿真工具p s p i c e 是由加洲大学伯克利分校开发的通 用电路仿真程序s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi ce m p h a s i s ) 移植于p c 机 上的版本“。1 9 8 8 年该程序被定为美国国家工业标准。目前享有盛名的e d a 公 司的模拟电路仿真工具，都是以s p i c e 为基础实现的。其中以美国原m e t a s o f t w a r e 公司的h p s p i c e 和m i c r o s i m 公司的p s p i e e ( p e r s o n a ls i m u l a t i o n p r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u ite m p h a s i s ) 最为流行。“。由于公司吞并重组 等原因，现在常说的p s p i c e 是指o r c a d 公司1 9 8 3 年推出的适用于i b mp c 个人 计算机的s p i c e 版本，由于其算法可靠性、收敛性好和仿真速度快而深受广大电 子设计师青睐。目前的最新版本0 r c a d p s p i c e l o 5 在国外的应用十分广泛“。 国内从七十年代开始研制计算机电路分析程序，又有国外经验做借鉴，起点 比较高，不少程序一开始就着手使用稀疏矩阵技术和隐式积分法。但国内研制的 程序和国外相比，在功能上和电路规模上都差些。目前，国内设计的电路分析程 序有科学院计算所的d f x ，复旦大学的f d 以及清华大学的g c a p 等“。p s p i c e 程 序在国内的应用也还不够广泛，虽然各大高校均有相关课程的设置，但是仅仅限 于理论研究，在实际生产过程中应用较少。 西北工业人学硕士学位论文绪论 3 本文研究的内容 本文将对电路的计算机辅助分析进行深入的研究，将电子设计自动化技术应 用于实际工程中。在深入研究电路基本理论在仿真程序中如何运用的基础上，以 p s p i c e 仿真程序作为工作平台，对数字化智能充电系统中相应的部分进行仿真 分析。主要目的是： ( 1 ) 根据设计指标选择合适的电路拓扑结构，并确定电路的工作参数； ( 2 ) 根据电路结构和参数选择合适的元器件，对库中没有的元器件要查阅相应 的器件手册，建立仿真模型； ( 3 ) 对设计电路进行各种仿真分析，并根据结果调整元器件参数，对设计进一 步优化； ( 4 ) 对优化后的设计进行蒙特卡罗分析和最坏情况分析，确定在实际生产中使 用的元器件的精度，在保证生产的成品率的前提下节约成本； 本论文的撰写结合了教研室所做的数字化智能充电系统项目，主要对该系统 的硬件主电路部分进行仿真分析和优化设计，用仿真结果指导硬件设计，并通过 最终成品的硬件电路性能，暴露仿真中存在的不足，加以修正后完善仿真方法， 使之能够真正应用于工程设计，并努力把该方法推广到电源以外的其他类型的电 路设计中去。 西北工业大学硕士学位论文 第一章数字化智能充电系统仿真总体方案设计 第一章数字化智能充电系统仿真总体方案设计 本章首先介绍数字化智能充电系统的硬件结构，然后介绍仿真软件p s p i c e 的仿真原理和常规的仿真方法。最后，结合二者制定系统的总体仿真方案。 1 1 数宇化智能充电系统简介 本文的仿真对象数字化智能充电系统主要是给军队的通讯电台充电和 供电的。需要在复杂的环境中可靠工作，其性能指标要求严格，因此本文将围绕 其性能指标简要介绍系统总体的设计。 1 1 1 数字化智能充电系统的性能指标n 1 工作电压范围：9 0 2 7 0 v ，频率波动范围：4 7 5 3 h z 。 2 输出功率：1 5 0 w 。 3 供电功能：给军用通讯电台提供1 2 v + 0 3 v 和2 4 v + 0 3 v 的稳压电源。 额定电流：5 a + _ 0 2 a 输出纹波： 5 5 v 时，o t a 2 将会对成法器的输出进行控制，使之清0 。 跨导放大器o t a 3 快速跨导放大器o t a 3 用于一种特殊的情况，即当误差放大器o p 2 处于轻载， 但是又不足以启动o t a l 的时候，此时o t a 3 开始工作。一个明确的o t a 3 开始工 作的判断条件是t d a l 6 8 8 8 芯片1 8 脚p f c - v c 低于1 2 v 。 由上述三个器件的应用说明不难看出，跨导放大器一般有两个输入其中一个 为固定的标准，另一个为外电路采样输入。其工作特性是当外电路采样的输入满 足某一固定标准的时候，器件开始工作，平时器件不工作，对周围电路没有任何 影响。因此这三个跨导放大器可以统一建立电路模型如图2 9 所示： v o f f = v a m p l f r e q = 图2 - 9p s p i c e 下跨导放大器的电路模型 图中v i n 是o t a 的输入信号，本模型采用正弦信号仿真其变化，v 。是o t a 的参考电压，本模型按照o t a l 的标准，设定为5 v ，v s i n 是模拟的外电路信号变 量。各种元器件均采用库中自带元器件模型，参数设定如图所示。图中电压探测 器标示处的电压信号如图2 1 0 所示： 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器什建模 图2 - 1 0 电压探测器标示处的电压信号波形 由输出波形不难看出，当o t a 电路模型的输入电压高于参考电压( 5 v ) 的时 候，电路输出呈现高组状态，外电路信号仍然按照自身规律进行变化，此时o t a 不影响其它电路的正常工作；而当输入低于参考电压的时候，o t a 输出驱动信号， 开始对外电路发挥作用。 需要指出，图2 - 9 所示电路模型是以o t a l 为标准建立的，只需将其中n p n 三极管用p n p 代替，参考电压换为5 5 v 就可变为o t a 2 的电路模型，而o t a 3 的 电路模型更简单，仅需将参考电压换为1 2 v 即可。 ( 5 ) 比较器 比较器c 1 ： 比较器c l 用于调整p f c 门驱动的占空比。它用过对放大器o p 2 的输出和内 部振荡器的斜坡电压进行比较来实现这一控制。 比较器c 2 ： 由于线路损坏等原因造成芯片1 9 脚p f c 输出电压检测端的电压小于1 v 时， 比较器c 2 会立刻关闭p f c 的输出，来保护外电路不被损坏。 比较器c 3 ： 比较器c 3 接于芯片的6 脚一p f c 电流限制检测输入脚，用于实现p f c 部分 峰值电流的限制作用，当6 脚的电压小于1 v 的时候，c 3 快速的关断p f c 的输出， 减少p f c 的输出电流。为防止c 3 欠压时受到过流冲击，芯片在接于c 3 的6 脚上 面添加了一个起保护作用的二极管。 比较器c 4 ： 两北工业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 比较器c 4 和功率管理器一同联合控制对芯片的p w m 部分进行软重启动。当 p f c 输出电压检测端的检测电压低于4 v 时，c 4 开始发挥作用，重新启动芯片。 比较器c 5 ： 比较器c 5 用于根据芯片p w m 部分软起动的状态，控制整个p w m 部分的偏置 点。在此过程中，p w m 部分是关闭的，仅有极小的静态电流流过。等待p w m 部分 软启动的开始。 比较器c 6 ： 比较器c 6 用于实现芯片的过压保护，当芯片的电压检测端的检测电压高于 6 v 时，c 6 同时关断p f c 和p w m 部分的输出，对芯片进行过压保护。 比较器c 7 ： 比较器c 7 通过对芯片的1 3 脚一p 1 v m 软启动脚和1 5 脚一p w m 电压斜坡脚的信 号进行比较来实现芯片软启动过程中p w m 波的脉宽调制。这个调制的过程就发生 在c 5 对软启动部分偏置点建立之后。 比较器c 8 ： 软启动完成之后，芯片p w m 波的脉宽调制由c 8 来继续。它通过对芯片1 4 脚 一p w m 输出电压检测脚和芯片芯片1 5 脚一p w m 电压斜坡脚的信号进行比较来实现 这一控制。 比较器c 9 ： 比较器c 9 用于实现p w m 部分的峰值电流控制。当芯片1l 脚一p _ | v m 电流检测 脚的电压大于1 v 时，c 9 关断p w l d 的输出，实现输出电流限制。 比较器c i o ： 比较器c i o 用于实现p w m 波占空比的控制。通过与0 4 v 门限电平比较，c i o 可以把占空比控制在0 5 0 之间。当芯片1 5 脚一p w m 斜坡电压低于这个门限时， p w m 的输出被关闭。 由芯片内部结构图2 1 可见，大部分比较器都后接逻辑电路( 如：与门) 来 实现功能，因此，本文将以建立比较器和与门共同组成的复合电路的模型为例， 介绍这部分电路的模型建立方法。 以比较器c 2 和c 6 为例，只有当芯片1 9 脚p f cv s 的输入在1 6 v 之间时， 比较器c 2 、c 6 才认为芯片工作正常，与门才输出高电平，否则均输出低电平。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 建立模型如图2 一1 1 所示： 洲宰1 - 1 每2 ，。量- - 鼍v a m 和p l = 。3 汰岬jn 。争一 工工上f r e q = 4 - - l - -工 ：2 i5 “”“”“2 5 “”“”“4 5 “”“ t ：l t m 图2 1 2 复合电路模型的输入与输出对应关系的瞬态分析图 由图2 1 2 可以很明显的观察到，当芯片1 9 脚的输入电压高于6 v 或者低于 l v 门限时，与门输出低电平，其余情况均输出高电平。模型的输出真实的再现 了电路的功能。 西北上业大学硕士学位论文 第二二章系统中关键器件建模 2 t d a l 6 8 8 8 芯片整体模型的建立 有了上文讨论过的单个功能块的模型之后，整个芯片模型的建立就简化了许 多，基本上就是把各个功能块以正确的方法连接起来，使它们能够协调的工作。 以此思想为指导，建立p s p i c e 下t d a l 6 8 8 8 的整体模型如附图1 所示： 不难发现，附图1 建立的模型与图2 - 1 所示芯片的功能框图并不完全一致。 这是由于此种芯片建模方法受到芯片资料的限制，因此本文在保证不影响仿真结 果的基础上将芯片的某些功能做了改变。现说明如下： ( 1 ) 振荡频率的设定方法不同： 本模型去除了芯片的1 2 脚8 y n c 和1 6 脚r o s c 。芯片的振荡频率由芯片内部 振荡源决定，而和外电路无关，以此方便仿真过程中振荡频率的调整。 ( 2 ) 取消了芯片工作的滞回区设定： 由于滞回区的设计和本仿真的关系不大，因此本模型取消了滞回区的设定， 认为芯片供电电压在1 1 v 以上时就可以正常工作。 ( 3 ) 取消了芯片p 1 v m 部分的软启动功能： 软启动功能于本仿真的关系不大，而又难以实现，因此本模型去掉了这部分 功能。相应的去除了芯片的1 3 脚p w m s s 和比较器c 5 以及p w m 偏置控制模块和片 内的电流源等部分。 ( 4 ) 改变了c 4 的连接方法： 由于本模型去除了滞回区的设定，相应的去除了芯片内部的电源管理功能 块。因此必须改变与之相连的比较器c 4 的连接方法。由于c 4 的功能是在p f c 输 出发生欠压时通过关闭p v 哺 i 栅极驱动输出来提升p f c 输出电压，减少负载电流。 因此将其直接连接到p w m 栅极驱动控制端就可以实现上述功能。 2 2 磁性元件模型的建立 开关电源中常用的磁性元件包括变压器和电感。这类器件都属于非定制器 件，即市场上面没有统一的系列产品销售。因为变压器和电感很多情况下都要由 设计者在设计电路系统的同时根据系统要求进行设计并最后制作。因此对于某一 个系统的仿真来说，此类器件的模型要根据系统中器件具体的实际情况进行建 立，因而建模工作相对困难。 1 9 西北t 业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 传统的电路仿真中，这两类器件大都只是利用兀件库中的理想模型，至多只 是建立一种等效电路宏模型。这种建模方法忽略了很多因素，只能反应变压器和 电感的理想工作状态，从而使电路模型不能反应真实电路的工作状态。o r c a d l 0 5 中的t r a n s f o r m e rd e s i g n e r 软件可以根据电路中真实器件的参数，通过内部算 法对此类器件建立p s p i c e 下的电路模型。建立的模型可以根据实际器件的各项 具体参数反应器件的真实工作特性，本文采用的就是这种方法。 2 2 1 变压器电路模型的建立 变压器是一种用于交流电能转换的电气设备。它利用互感耦合的电感器件， 把一种交流电压、交流电流的电能转换成相同频率的另一种交流电压、交流电流 的电能，在电子设备中占有很重要的地位”。它由铁心和线包( 初级、次级绕组) 构成。其中，铁心起导磁作用，并使变压器的电性能和经济指标大大变好；初级 绕组起激磁和从电源获取电能的作用，变压器通过它将电能转化为磁能；次级绕 组负责把磁能转换为电能，并将能量提供给负载。通常利用变压器的不同匝数比 来实现变压、变流和变换阻抗的作用，同时将电能传递给负载。 一般情况下，p s p i c e 用耦合电感的方法建立变压器模型。这种方法建立的 模型可以反映出设计中变压器的理想工作特性，但不能反应磁性材料的状态( 诸 如磁饱和程度等) 对器件工作状态的影响，从而无法反应器件真实的工作特性。 本文应用的t r a n s f o r m e rd e s i g n e r 软件根据实际的变压器的铁芯和线包的各项 具体参数( 如：铁芯材料参数、骨架形式、线径的选择、线包的绕制方式等) 对 变压器进行建模。考虑因素全面，建立的模型可靠，应用于仿真电路中后能够反 应出器件真实的工作特性，从而使电路仿真的结果真实可靠。 1 软件介绍 t r a n s f o r m e rd e s i g n e r 软件是o r c a d i o 5 软件包中专门用于磁性材料仿真 的软件。可以分别对功率变压器、正激变压器( 单端和双端) 、反激变压器以及 直流电感进行仿真模型的设计。其数据库中含了几个常用厂家生产的变压器的设 计数据，一般的设计可以在此基础上进行。当库中没有设计所用的器件时，则需 要点击t o o l s 菜单中的d a t ae n t r y 选项对数据库进行初始化。d a t ae n t r y 共包 含3 个子选项，分别为c o r ed e t a i l s 、w i f e 和i n s u l a t i o n ，现分别结合本设计 进行说明”： 两北工业大学硕士学位论文第二章系统中关键器件建模 ( 1 ) c o r ed e t a i l s c o r ed e t a i i s 子选项主要用于对变压器的铁芯数据进行初始化。其中又包 含v e n d o r 、m a t e r i a l 、c o r e 、b o b b i n 等四个选项： v e n d o r 命令用于设计者输入产品的生产厂商，便于对设计进行分类管理。 在选择该命令后会弹出名为e n t e rv e n d o r 的子窗口，从中选择n e w 命令新建厂 商资料。 m a t e r i a l 命令用于建立变压器铁芯的材料数据。在选择该命令后会弹出名 为e n t e rm a t e r i a l 的子窗口。在第一栏v e n d o rn a m e 下拉菜单中选择公司名字 选项，第二栏m a t e r i a l 中输入采用的材料名称。下面的各项参数为材料的各项 参数。 c o r e 命令用于确定变压器铁芯的形状和尺寸。在选择该命令后会弹出e n t e r c o r e 字窗口，在其中对变压器的铁芯的形状、体积、窗口面积和磁路长度等参 数进行设定。 b o b b i n 命令用于确定变压器骨架的尺寸。在选择该命令后会弹出e n t e r b o b b i n 字窗口，在其中对变压器骨架的尺寸进行设定。 ( 2 ) w i r e c o r ed e t a i l s 子选项主要用于对变压器的绕组进行设计。可对裸线径、带 绝缘层之后的线径以及横截面积等参数进行设定。 ( 3 ) i n s u l a t i o n i n s u l a t i o n 子选项主要用于对变压器绝缘程度进行设定。初始化结束之后， 就可以按着程序的设计向导，步一步进行后续的设计了，后面的步骤几乎都是 调用在数据库初始化时输入程序的各种数据。而这些数据均是源于原系统中变压 器的真实数据。 2 原系统中变压器的一些相关参数 ( 1 ) 磁性材料的形状与骨架 原设计中变压器磁材选择n e c t o k i n 公司的f p q 系列中型号为f p q 3 5 3 5 一t 一2 2 的优质磁材。相应的，骨架选择该公司生产的p q b 3 5 3 5 一p 1 2 1 2 一f ，材料为铁氧体， 型号为t 3 7 5 3 9 4 v - o 。 ( 2 ) 匝比、线径与绕线方式 2 1 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 原设计中变压器的初级绕组为4 1 匝，次级绕组为9 匝；导线直径为0 5 3 r m ； 初级线圈选择3 根巾0 5 3 的q z 型高强度漆包线进行绕制，次级线圈选择8 根巾 0 5 3 的q z 型高强度漆包线进行绕制。 ( 3 ) 占空比与工作频率 原设计中变压器的最大占空比为5 0 ，工作频率为l o o k 。 ( 4 ) 其它参数 3 4 在自然冷却条件下，该变压器电流密度为m m 2 。 3 运用t r a n s f o r m e rd e s i g n e r 软件建立变压器的仿真模型 运用t r a n s f o r m e rd e s i g n e r 软件对原设计变压器进行建模主要步骤如下： ( 1 ) 数据库初始化 建立厂商资料 在本设计中按前面介绍方法输入t o k i n 公司的一些资料，为软件模型建立归 类用的公司档案。输入格式如图2 1 3 所示。 设定铁芯材料数据 根据t o k i n 网上提供的型号为t 3 7 5 j 9 4 v 一0 铁氧体磁材的参数文档，可以查 到相应的材料参数，填写在e n t e rm a t e r i a l 窗口的菜单中。结果如图2 1 4 所示。 图2 一1 3 厂商资料设定图2 1 4 铁芯材料参数设定 设定变压器铁芯的形状和尺寸 根据t o k i n 公司的f p q 系列数据手册，确定型号为f p q 3 5 3 5 一t 一2 2 磁材的形 状和尺寸。把各项数据填写在e n t e rc o r e 子窗口的各项栏目中，结果如图2 1 5 所示。 设定变压器骨架的尺寸 西北丁业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 t o k i nf p qf p q 3 5 3 5t2 2 根据 公司的系列数据手册，确定 一一 型号磁材的骨架 型号为p q b 3 5 3 5 一p 1 2 1 2 一f 。把手册中骨架的各项数据填写在e n t e rb o b b i n 子窗 口的各项栏目中，结果如图2 1 6 所示。 图2 1 5 磁材形状和尺寸设定 对绕组用的漆包线进行设定 原设计用的漆包线裸线线径为0 5 3 r a m ，截面积为0 8 8 2 4 7 3 4 m m 2 。漆包线的 线径为0 5 8 4 m m 。将上述数据填入e n t e rw i r ed a t a 字窗口的相应栏目中，结果 如图2 - 1 7 所示。 图2 1 6 变压器骨架尺寸设定图2 一1 7 漆包线参数设定 对变压器绝缘程度进行设定 变压器内部的绝缘胶布选择特氟纶材料，其击穿电压高达5 0 0 0 v ，有0 1 岫、 0 5 m m 、0 8 3 r a m 三种厚度可以选择。在e n t e ri n s u l a t i o nm a t e r i a l 字窗口中进 行设定即可。 至此，数据库的初始化工作完成。接下来就可以进行变压器模型的建立了， 2 3 西北 _ ：业大学硕士学位论文第二章系统中关键器件建模 建立过程中用到的库中没有的数据已经在初始化过程中进行了补充。 ( 2 ) 变压器模型的建立 新建仿真项目。操作界面如图2 1 8 所示，在窗口中选择f o r w a r dc o n v e r t e r ( d o u b l es w i t c ht o p o l o g y ) 一双正激拓扑结构选项。在命名栏中填入本模型的 名称d s f o r w a r d 。 设定变压器模型的常规参数。包括次级数目、绝缘胶布材料、电流密度以及 效率等参数。操作界面如图2 1 9 所示，根据原设计，该模型次级数目为1 ，绝 3 a 缘胶布材料采用特氟纶，电流密度为m m 2 ，变压器效率选择9 5 。 图2 一1 8 新建仿真项目图2 1 9 变压器常规参数设定 设定变压器模型的电气参数。包括原边电压、匝比、工作频率、占空比等参 数。操作界面如图2 2 0 所示，根据原设计，变压器原边电压为3 8 0 v ，匝比为 4 = 4 5 6 ，工作频率选择1 0 0 k ，占空比为5 0 ，输出功率选择1 5 0 w ，原副边绕 组距离选择2 m m 。 设定变压器模型磁芯参数。包括磁芯的公司、产品系列、材料、变压器工作 磁通密度、窗口利用率等。其界面如图2 2 l 所示。这些参数基本全在数据库初 始化的时候就设定好了，此时只需要调用一下就好了。此外的窗口利用率选择 0 6 。 设定变压器骨架与绕线的参数。包括骨架的型号、尺寸、绕线的方式、线的 尺寸等。其界面如图2 2 2 所示骨架的设定直接调用初始化的数据就可以，而绕 线应选择绞合线，根据原设计原边为3 根绞合，副边为8 根绞合。 西北下业大学硕七学位论文 第二章系统中关键器件建模 图2 - 2 0 变压器电气参数设定图2 2 1 变压器磁芯参数设定 结果数据统计。本步为变压器模型建立的最后一步。系统根据用户前 面的操作，生成变压器模型，并显示相关的数据。变压器模型如图2 2 3 所示。 图2 2 2 变压器骨架与绕线参数设定图2 2 3 变压器的模型 ( 3 ) 变压器模型的封装 得到变压器模型之后还要对其进行封装才能在p s p i c e 下使用。封装过程需 要使用o r c a d i o 5 软件包中m o d e le d i t o r 软件来实现。其具体步骤如下所示： 打开m o d e le d i t o r ，开启刚刚建立的模型档案。该模型文件就保存在刚刚建 立模型时仿真项目的文件夹中，文件名为d s f o r w a r d 。 利用m o d e le d i t o r 把p s p i c e 模型和c a p t u r e 联系起来。选择文件保存的新 路径，执行f i l e 下拉菜单中的e x p o r tt oc a p t u r ep a r tl i b r a r y 命令把原来 模型的1 i b 文件转换成c a p t u r e 可以识别的o l b 文件。 修改封装形式。运行c a p t u r e 程序，在p l a c ep a r t 命令栏中添加l i b r a r y ， 在上一步确定的路径下找到d s f o r w a r d 文件打开，效果如图2 2 4 所示。可见此 时的变压器外观为一个二端口网络，不便于原理图的绘制和理解。因此需要把它 的外观修改成一般变压器的常用形式。鼠标右键单击器件选择e d i tp a r t 命令， 西北工业大学硕士学位论文第二章系统中关键器件建模 聚酯漆包线( o z ) 绞绕合成绕制。 ( 3 ) 其它一些参数： 该电感的电感值为1 5 m h ，工作频率为1 0 0 k ，绝缘胶布材料让然采用特氟纶， 电流密度为1 形2 ，输出支流电流6 a ，交流电流1 a 。 2 电感模型的建立 启动电感设计向导，窗口如图2 1 8 所示。选择最后一项d ci n d u c t o r 建立 仿真项目。然后与变压器设计类似，一步一步向下进行就可以了。设计窗口与变 压器大同小异，需要输入的各项参数在上面都已经给出。设计完成后与变压器相 同，也要对元件进行封装后才能在c a p t u r e 中调用。系统建立的电感模型如图 22 6 所示。其对应的修改封装形式后的模型如图2 2 7 所示。 l 1 玉厂矿、1 厂、一圣 d s f l 图2 - 2 6 电感的电路模型图2 2 7 修改封装后的电感模型 应用上述方法，同样可以方便的建立模型中功率因数校正和二次斩波部分对 应的电感。这两个电感与双正激电路中的电感只足电感量的不同，建立模型的步 骤完全相同，因此这里不再赘述。 2 3 其它元件模型的建立 系统中会用到很多基础的简单器件，但库中并不一定有其仿真模型。因此需 要对其建立相应的模型。下面以建立高效玻钝二极管h e r l 0 8 的仿真模型为例子， 对这些简单器件的建模方法进行说明： 建立一般元件模型司使用o r c a d l 0 5 软件包中的m o d e le d i t o r 软件o ”。该 软件可对二极管、三极管、m o s 管等1 0 余种器件建立仿真模型。 启动软件，选择新建元器件选项会弹出一个子窗口。在此窗口中可以选择新 建器件的类型、方法和名称等。在其中相应位置选择二极管模型，并输入名称 h e r l 0 8 。模型建立方法选择使用根据器件特性曲线方式。完成后，点确定出现图 h e r l 0 8 。模型建立方法选择使用根据器件特性曲线方式。完成后，点确定出现圈 西北t 业大学硕士学位论文 第二章系统中关键器件建模 2 2 8 所示操作界面。本操作界面分为3 个部分，上半部分分为左右两栏，其中 左边为模型菜单栏，显示正在建模器件的名称和类型等。右边为设计者的描点操 作栏，设计者主要在此栏中进行操作建立模型。下半部分为模型信息栏，实时显 示建立模型的各项参数。 图2 2 8 特性曲线法建立模型的操作界面 设计者进行模型设计时几乎所有操作都在描点操作栏中进行。此栏共有5 个 子窗口，分别对应着正向电流和电压关系、结电容和反向电压关系、反向电压和 电流关系、反向击穿特性和反向恢复时间特性。设计者主要根据器件数据手册上 的对应关系图，在相应位置中输入横纵座标的值，对上述相应关系进行描点式绘 图，系统内部会根据设计者的图来计算模型内部的各个参数，并实时的显示在模 型信息栏中。当设计者所描绘的曲线图与数据手册上的例图基本一致时，就可以 保存此模型了。图2 2 8 中就给出了本文绘制的描述正向电流和正向电压的关系 图。 按照上述方法，可以对系统模型中用到的所有简单器件( 二极管、三极管和 m o s 管等) 建立模型，使仿真更加真实可信。 两北工业大学硕士学位论文 第三章子系统仿真 第三章子系统仿真 本章将对构成智能充电系统的子系统一功率因数校正电路、d c d c 变换电路 和二次斩波电路建立模型并进行仿真。 3 1 功率因数校正电路模块仿真模型的建立 3 1 1 智能充电系统功率因数校正电路简介 本系统为了提高功率因数，减少高次谐波的危害，采用了平均电流法控制的 升压式有源功率因数校正( a p f c ) 电路。电路结构如图3 - 1 所示。 图3 - - 1b o o s ta p f c 电路原理图 两北工业大学硕士学位论文 第三章子系统仿真 其中主回路采用b o o s t 电路结构，主要由电感l 。，二极管d ：。d m 、开关 管q 。输出主线滤波电容c 。组成。输入电路由滤波电感l 。滤波电容c 。，整 流桥b 。，压敏电阻r 。热敏电阻r 。组成。l ，。和c 。构成滤波网络。 控制电路主要由西门子公司的高集成电源芯片- - t d a l 6 8 8 8 及其一些外部元 件组成，外围电路包括电流检测电路( 由r 。组成) ，输入电压取样电路( 由r 。 r 。组成) ，输出电压反馈电路( 由r 。r 。、r 。和r ，。组成) ，反馈回路为p i 控 制器( 电压环p i 控制器由c 。、c 鹈、r 。组成，电流环p i 控制器由c 。、c 。、r 。 组成) 。功率开关管的驱动电路由r 。仰、r 。组成；控制器的工作频率由电阻r 。 决定，电阻r 。值越大，工作频率越小，本设计中r 。值取为5 1 k ，工作频率为 1 0 0 k h z 。 从中不难看出，本设计的功率因数校正电路构成较复杂，故仿真需分步执行。 3 1 2 分步实现功率因数校正模块的仿真 1 仿真理想b o o s t 电路的工作过程 ( 1 ) b o o s t 电路的原理与理想模型的建立 升压变换器( b o o s t ) 电路是最基本的o c o c 变换电路之一，在电源领域内 占有非常重要的地位，长期以来广泛的应用 于各种电源设备的设计中。其原理电路结构 简单，主要由电感、电容、开关和二极管组 成，具体连接关系如图3 2 所示1 2 4 1 。图3 - 2b o o s t 电路原理图 应用o r c a d i o 5 软件包中基于p s p i c e 的c a p t u r ec i s 软件对理想b o o s t 电 路建立模型如图3 3 所示。可见模型和b o o s t 原理图一致，其中开关管采用n 沟 道的m o s 管i r f 6 4 0 实现，并用一个工作频 率为4 0 k 占空比为4 0 的脉冲源v g 控制m o s 管的通断来仿真开关s 的通断过程，r 。为电 v i 源内阻，r ，为m o s 管栅极限流电阻，其它部“ 分与原理图相对应。 图3 - 3 理想b o o s t 电路p s p i c e 模型 ( 2 ) 模型可靠性分析 当b o o s t 电路工作于电感电流连续模式时，其输入输出有关系式： 3 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章子系统仿真 丝：上 ( 3 1 ) ul d 其中d 为开关的占空比。本模型的占空比为4 0 ，输入电压为1 5 v ，理论上 输出电压为2 5 v 。现对该模型进行瞬态 分析，选择扫描时段为o 2 5 m s 。观察 输出o u t 端电压波形如图3 - 4 所示。易 见，电路输出电压，电感电流在2 m s 左 右趋于稳定，电路由瞬态过渡到稳态。 图3 4 理想b o o s t 电路输出端瞬态扫描分析 由于二极管正像导通