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基于PSpice-SLPS接口的开关电源应用设计

深圳(耀创)电子科技有限公司 2024-05-11 08:12 次阅读

电源系统电路,例如用于开关电源电机控制系统的电路,可分为两部分:通过电源开关装置开/关电流或电压的电路,以及带有集成电路和其他部件的控制电路当利用SPICE等电路模拟器对整个系统进行建模时,需要将所有控制设备渲染为电气元件,从而使电路变得复杂。因此,设计电路需要浪费大量的时间,而不是用在设计的早期阶段验证需要重点关注的关键点。元素数量的增加可能会增加电路计算收敛错误的概率,并需要大量的时间进行运算,甚至更可能因为电路计算无法收敛,导致仿真无法进行。

另一方面,使用MATLAB/Simulink系统模拟器对整个系统进行建模,可以更容易地用数学方法表达控制算法,但如果没有器件库,就很难准确地表达电气特性,例如开关器件的上升/下降沿特性、电感器、变压器等。

本文介绍了如何通过PSpice SLPS接口(以下简称“SLPS”)分析前向型开关电源电路,该接口可以实现PSpice电路模拟器和MATLAB/Simulink系统的联合仿真。

20fb78ae-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

01基于PSpice的电路设计

本示例中使用的正向转换器的示意图如下所示:

2127f654-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png 正向转换器原理图

该电路的条件如下:

额定输入电压:130V

输出电压:10V

输出电流:10A

此时,求接Q1的缓冲电路电容的最优值,以使开关功率损耗最小。

下图为利用PSpice参数分析函数,当C2值从0.1n变化到1.0n时,Q1的VCE波形变化情况。

21783cea-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

从这个结果来看,0.5nF被认为是一个合适的值,可以在开关时产生更小的功率损耗和更小的VCE值。

下图为C2设为0.5nF时输出电压/电流和VCE波形。

21a10f08-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

使用可变阻抗ZX代替负载电阻R1,以便Simulink可以通过Vload指定负载值.

21bee2bc-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

可变负载电路

02基于MATLAB/Simulink的控制系统设计

如下分配SLPS块,并通过MATLAB/Simulink设计PWM控制器

21e522e2-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png整体模型

原理图应用于SLPS块,并指定输出电压(Vout)、输出电流(Iout)和开关晶体管的功耗(Tr功率耗散)作为输出。将Vout设置为PWM控制器的输入,并将来自控制器和负载的开关控制信号设置为SLPS块的输入。

221ac974-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

PWM控制器

控制器模型中,通过将PI控制的输出电压与参考值进行比较,然后与三角波进行比较,生成PWM信号。


结果

Simulink设置为以下条件:

Endtime: 1e-3 seconds

Solvertype: Fixedstep

Solver:ode5

Stepsize: 1e-6 seconds


以下显示了当负载电阻值设置为1Ω时的模拟结果:

223e844a-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

上:输出电压;下:输出电流


2258f03c-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

上:晶体管功耗;下:开关信号波形

227bca3a-0f2b-11ef-9118-92fbcf53809c.png

1.2mS时负载电阻从1变为5Ω

结果表明,启动后输出在0.4mS左右开始稳定,并随负载变化而变化。

总结

在本设计实例中,电路采用PSpice环境设计,控制系统采用Simulink环境设计。通过电路表达元件的电气特性,包括器件的时延,以及难以用数学公式表达的特性,然后利用PSpice设计了基本电路。应用数学表达式中的灵活Simulink模型来设计激活电路的控制器。最后,使用SLPS将两个环境结合起来,进行考虑电气特性的整体模拟。

PSpice系统充分利用了各仿真工具的特点,使系统设计更加高效。

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