Buck电路的设计与仿真(开环设计与仿真)2014

• 网络资源
– 使用方法介绍
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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： • 1：完成单端正激电路设计报告（含所有主 电路参数设计，需要查阅相关手册，选取 所有元器件） ； • saber0307@；Password:0307123456
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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 差异性分析）
四．闭环仿真；
五．元件级仿真。
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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
滤波电感——串联电阻线路压降；（实 际设计<需要查磁芯手册>） 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 I.
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（1）原理图编辑
Switch, Power semiconductor Inductor Logic Clock Diode, ideal Resistor Capacitor
Voltage source, constant ideal DC supply
Ground, (Saber node 0)
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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
– D:\Synopsys\Z-2007.03\doc\webworks_docs\saber – Example: Power Converter Design Example； SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser； SketchUser；HotkeyUser
• •
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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;
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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：
• DC analysis • Plot after analysis
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Analysis > Timห้องสมุดไป่ตู้ 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
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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 纹波： (96.4) 2 (7.5) 2 96.7 mV
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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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（3）仿真结果分析
① 输出电压纹波；
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（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 – 额定负载电流 Iout 10A，在负载电流大于2A时， 电感电流工作于CCM。
• 其他性能：
– 开关频率 100kHz
Cf
I ripple 8 f sVout ( p p )
100 F
ESRmax
V 0.05 12.5m I 4
充电电荷Q 充电电流 * 充电时间 1 1 = I ripple * Ts C f *Vout ( p p ) 4 2
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电解电容的ESR、ESL
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（2）Buck电路的工作原理
• 电路拓扑
Q
A L D C + RL U o -
+ Ui -
ub b
• CCM下的电路工作原理
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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 Dmin Dnom Vout 28 0.78 Vin min 36 Vout 28 0.39 Vin max 72 Vout 28 0.58 Vinnom 48
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（2）仿真模拟
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； • 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、运 算法则、截断误差、 CPU时间等
• Sample point Density
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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； • Transient 分析中，乘以DC分析中的该设置值； • 取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍
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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 画线 重新布线 连线与电压节点命名
⑤ 布线
⑥ 保存
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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 （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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滤波电感设计
• 电感量，2A时（1/5负载），电感电流临界 连续。
I L L UL T UL 28 Lmin(CCM ) Tmax (1 0.39)10u 42.7uH I L 4
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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 1 = I ripple * Ts C f *Vout ( p p ) 4 2
Cf I ripple 8 f sVout ( p p ) 100 F
ESRmax V 0.05 0.0125 I 4
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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；
五．元件级仿真。
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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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（1）原理图编辑
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（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 查找元件
Search Browse
③ 选择和放置电路元件
– –
复制元件（含属性） 元器件的移动
a. b. 寄生电感； 寄生电容；
IV. 半导体器件的寄生参数和实际元器件的选 取
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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 ）；----
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
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
① DC工作点分析 (DC operating point)
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，电容为开路等） 作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供 计算初始点；提供快速检查。
第二章 DC-DC电路(Buck)的设计与仿真
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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．元件级设计与仿真。
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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；
电容等效电路：C，ESR，ESL和RS
Z 1 jLESL RESR jC
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。
– 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和不同负载的情况； ⑦ 输出功率波形波形（运算）。
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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；
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（2）滤波电感设计
③ 计算匝数和气隙
a. b. 最大磁通摆幅： 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)
0 NI p max Bm
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II 滤波电容设计（电解）
• If>Io充电,If<Io放电；
b.
初选磁芯型号：
AP Ae AW
• •
L f I 2 106 Bm JKW 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。