Buck电路的设计与仿真开环设计与仿真SaberPPT学习教案

ESR：引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与 温度和频率有关。一般ESR与其容量的乘积为 RESRC＝50~80×10-6(s)
ESL：引线、电容极板结构有关。
RS：泄漏电阻，一般很大
寿命降额：Arrhenius定律，容芯温度减少10℃ ，寿 命增加1倍。
ESR与纹波电流：电解电容的温升是RESRI2引起的。 开关电源中输出纹波电压主要是ESR引起的。而 I为纹波电流的有效值。
作业内容
1：单端正激电路设计报告（含 变压器与电感器的设计）；
主电路设计（变压器、开关管、 二极管、滤波电感、滤波电容）；
仿真分析（1，采用理想元器件分 析性能指标的满足情况；2，评估 所选元器件的合理性；3，理想元 器件与实际元器件模型带来的性 能指标差异第性42页分/共4析4页 ）
运算法则、截断误差、 CPU时间等
DC analysis Plot after analysis
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Analysis > Time Domain > Transient :
Calibration
Truncation Error
在分析过程中每次计 算结果的舍入精度。 这个参数对仿真结果 精度影响很大，甚至 导致仿真不收敛。参 数值越小，仿真精度 越高，但参数值过小 会降低仿真速度。通 常取100u即可。0.1倍 改变
② 时域分析（transient）
▪ 时域分析的概念与作用
瞬态分析用于检验系统的时域特性，此 分析通常从静态工作点开始。是功率变 换器数值仿真中应用最广泛的分析类型。
▪ 瞬态分析对话框
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Analysis > Time Domain > Transient :
Basic
End Time：定义瞬态 分析结束时间；
⑤ 布线
画线 重新布线 连线与电压节点命名
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⑥ 保存
开环仿真（瞬态）、分析与模型 细化
（1）原理图编辑 （2）仿真 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（2）仿真模拟：仿真工具和仿 真类型
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（2）仿真模拟
① DC工作点分析 (DC operating point)
（2）滤波电感设计
③ 计算匝数和气隙
a.
最大磁通摆幅：
b. 计算匝数和气隙
0 N 2 Ae Lf
④ 计算导体尺寸
线圈电流密度通常取3~5（A/mm2）。
⑤ 校核：
Bm、窗口、损耗(铜耗，铁耗查曲线)
Bm
0 NI pmax
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II 滤波电容设计（电解）
If>Io充电,If<Io放电；
Sample Point Density; Display After Analysis：自 动显示结果。
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仿真器主要参 数：
Ending Initial Point File：结束文件； Use Initial Conditions：是否 使用初始条件。
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（2）仿真模拟
纹波： (96.4)2 (7.5)2 96.7mV
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（4）模型细化（完善）
① 开关管——应力计算、选取及实际器件选取；
▪ Get part parametric search ……
② 二极管——应力计算、选取及实际器件选取；
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参考资源及介绍
Saber help files
Buck电路的设计与仿真开环设计与仿真 Saber
会计学
1
DC-DC电路(Buck)的设计与仿真
一． 开环设计； 二． 开环仿真（瞬态）、分析与
模型细化； 三． 闭环设计与仿真； 四． 闭环仿真； 五． 元件级设计第1页与/共44仿页 真。
一 Buck电路的开环设计
（1）性能指标； （2）Buck电路的工作原理； （3）Buck电路的开环设计；
11原理图编辑原理图编辑22仿真模拟仿真模拟33仿真结果分析仿真结果分析44模型细化模型细化第10页共44页11第11页共44页11启动启动sabersketchsabersketch打开电路图编辑窗口打开电路图编辑窗口创建新设计创建新设计打开已有设计打开已有设计选择和放置电路元件选择和放置电路元件查找元件查找元件searchsearchbrowsebrowse复制元件含属性复制元件含属性元器件的移动元器件的移动第12页共44页1原理图编辑resistorvoltagesourceconstantidealdcsupplyswitchpowersemiconductordiodeidealinductorcapacitorlogicclockgroundsabernode第13页共44页11修改元器件属性修改元器件属性理解所选择元器件的属性理解所选择元器件的属性定义属性定义属性帮助文件的使用帮助文件的使用布线布线画线画线重新布线重新布线连线与电压节点命名连线与电压节点命名保存保存第14页共44页开环仿真瞬态分析与模型开环仿真瞬态分析与模型细化细化11原理图编辑原理图编辑22仿真仿真33仿真结果分析仿真结果分析44模型细化模型细化第15页共44页22第16页共44页22dcdc工作点分析工作点分析dcoperatingdcoperatingpointpointdcdc分析的概念与作用分析的概念与作用执行执行dcdc分析主要设置分析主要设置查看和评估工作点查看和评估工作点第17页共44页22dcdc工作点分析工作点分析dcoperatingdcoperatingpointpointdcdc分析的概念与作用分析的概念与作用静态工作点
II. 滤波电容—串联电阻 输出电 压纹波；
III. 线路寄生参数及其影响
a. 寄生电感；
b.
寄生电容； 第33页/共44页
IV. 半导体器件的寄生参数和实际
I 滤波电感设计
① 电感量计算；
② 磁芯选取
a. 电感磁芯材料的选取：
有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小， 因此可以选择较高的饱和磁密。应选取（铁氧体、铁粉 芯、铁铝硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；----
▪ DC分析的概念与作用 ▪ 执行DC分析（主要设置） ▪ 查看和评估工作点
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（2）仿真模拟
① DC工作点分析(DC operating point)
▪ DC分析的概念与作用
静态工作点：电子线路中的一些非 线性元件（如二极管、三极管）， 其运行特性取决于偏置点，称为静 态工作点。为时域分析和交流小信 号分析提供初始值。
t=0时，所有时变参量为0情况下， 分析电路的DC偏置点。（如电感 为短路，第电18页容/共4为4页 开路等）
作用：求解系统的静态工作点，为
难以进行直流分析的电路
电容割集（电容和电流源组成的割集）; 电压源与电感串联、电流源与电容串联; 具有不同初值的电感串联 具有不同初值的电容并联;
Cf
I ripple
8 fsVout( p p)
100F
ESRmax
V I
0.05 12.5m 4
充电电荷Q 充电电流*充电时间
=
1 4
I ripple
1 * 2 Ts
Cf
*Vout ( p p)
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电解电容的ESR、
ESL
电容等效电路：C，ESR，ESL和RS
Z
1 jC
jLESL RESR
42.7uH
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滤波电容设计
ILf>Io充电,ILf<Io放电；
充电电荷Q 充电电流*充电时间
=1 4
I ripple
1 * 2 Ts
Cf
*Vout ( p p)
Cf
I ripple
8 f Vs out( p p)
100F
ESRmax
V I
0.05 4
0.0125
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第2页/共44页
（1）性能指标
DC-DC变换器性能指标： 输入电压：36-72 VDC（额定48V） 输出性能：
额定输出电压 Vout 28VDC 输出电流纹波 Vout(p-p) <50mV 额 流定 大负于载2A电时流，电Iou感t 电10流A工，作在于负C载C电M。
其他性能：
开关频率 10第03k页H/共4z4页
第11页/共44页
（1）原理图编辑
① 启动Saber Sketch ② 打开电路图编辑窗口
创建新设计 打开已有设计
③ 选择和放置电路元件
查找元件
Search Browse
复制元件第（12页含/共4属4页 性） 元器件的移动
（1）原理图编辑
Switch, Power semiconductor
使用方法介绍
第40页/共44页
小结||3-6||
掌握DC-DC电路参数设计方法； 掌握用SaberSketch输入电路原理
图的方法、掌握瞬态仿真的基 本参数设置方法、掌握查看波 形方法；
借助仿真软件深入理解Buck电 路工作原理。
作业： 第41页/共44页
1：完成单端正激电路设计报告 （含所有主电路参数设计，需
（3）仿真结果分析
① 输出电压纹波；
电容电流波形，软启动的概念
② 电感电流波形（DCM、CCM）；
电感电压波形
③ 开关管电压、电流应力； ④ 二极管电压、电流波形； ⑤ 电源电流波形； ⑥ 不同Vin和不第3同0页/共负44页 载的情况； ⑦ 输出功率波形波形（运算）。
Buck电路的设计
一． 开环设计； 二． 开环仿真（瞬态）、分析与
Buck电路的设计
一． 开环设计； 二． 开环仿真（瞬态）、分析与
模型细化； 三． 闭环基本概念与AC 小信号仿
真； 四． 闭环仿真；
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五． 元件级仿真。
开环仿真（瞬态）、分析与模型 细化
（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（1）原理图编辑
第26页/共44页
• Sample point Density
Sample Point Density：
• 仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时 将其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n 越大，精度越高，但会降低仿真速度，最大可 取1k。
• DC分析中，有助于找到直流工作点； • T；ransient 分析中，乘以DC分析中的该设置值 • 取倍值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2
Logic Clock
Inductor Diode, ideal
Resistor
Voltage source, constant ideal DC supply
Capacitor
Ground, (Saber node 0)
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（1）原理图编辑
④ 修改元器件属性
理解所选择元器件的属性 定义属性 帮助文件的使用
28 0.78 36
Dmin
Vout Vin max
28 0.39 72
Dnom
Vout Vinnom
28 48
0.58
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滤波电感设计
电感量，2A时（1/5负载），电 感电流临界连续。
L IL T
UL
Lmin(CCM )
UL I L
Байду номын сангаас
Tmax
28 4
(1 0.39)10u
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开环仿真（瞬态）、分析与模型细化
（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化
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（3）仿真结果分析
查看仿真波形
图形文件的打开 现有信号的查看 信号的运算
测量分析结果 验证设计是否满足要求
观测各种情形下关键点波形
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例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为 100mV。f=100kHz .选择电解电容。 解：纹波电流为4A。因为ΔUpp＝ Δ IRESR＝ 4×65×10-6/C ,则需要C＝ 4×65×10-6/0.05=2600μF，取2700uF，其 ESR约为24.1m；ESR引起的纹波为96.4m 如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为ΔUpp＝ Δ IT/2C ＝ 4×10×10-6/(2×2700×10-6）=7.5mV
b. 初选磁芯型号：
AP
Ae AW
Lf I 2 106 BmJKW Kc
其中Lf为电感值（H），I为通过电感的直流平均值 （A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是线圈电流密度， 通常取3~5（A/mm2），Kw是窗口的填充系数，Kc为磁 芯填充系数。
经计算，查相关手册后可初选出磁芯型号。
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D:\Synopsys\Z2007.03\doc\webworks_docs\saber
Example: Power Converter Design Example；SaberQuickStart； ExamplesUser；SaberUser； SketchUser；HotkeyUser
网络资源
Time Step：步长；
设计中有关时间常数 的1/10；
驱动源最小的上升或 下降沿；
正弦驱动源输入周期 的1/100。
Start Time：开始时间;
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Analysis > Time Domain > Transient :
Basic
Monitor progress
0 执行时间 -1 执行概要和时间 其他整数 迭代信息、
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Analyses > Operating Point > DC Operating Point :（简略介绍）
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仿真器主要参数：
Monitor progress ：进度显示控制；
•0 执行时间 •-1 执行概要和时间 •其他整数 迭代信息、运 算法则、截断误差、CPU 时间等
模型细化； 三． 闭环基本概念与AC 小信号仿
真； 四． 闭环仿真；
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五． 元件级仿真。
开环仿真（瞬态）、分析与模型 完善
（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型完善
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（4）模型完善
I. 滤波电感——串联电阻线路 压降；（实际设计<需要查磁 芯手册>）
（2）Buck电路的工作原理
电路拓扑
• CCM下的电路工作原理
QA
+
L
+
Ui
ub b
D C
RL Uo
-
-
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（3）Buck电路的开环设计
主电路参数设计
（1）占空比 （2）滤波电感量滤波电感设计 （3）滤波电容 （4）功率器件
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占空比
（1）占空比
Dmax
Vout Vin min