準(zhǔn)方波諧振仿真從簡化模型中受益

作者：安森美半導(dǎo)體,Christophe 時(shí)間：2003-06-13 來源：電子設(shè)計(jì)應(yīng)用

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準(zhǔn)方波諧振拓?fù)溆址Q為準(zhǔn)諧振(QR)系統(tǒng)，因其具有許多優(yōu)點(diǎn)而日益普及。如果用綜合性的瞬態(tài)Spice模型幫助設(shè)計(jì)電源，由于其包含的特性過多，其中如靜態(tài)電流、短路保護(hù)等對于初次評估計(jì)算值而言是毫無用處的，因此反而會使計(jì)算時(shí)間增加，反覆運(yùn)作變得困難且冗長。本文將簡要地論述通用QR模型的基礎(chǔ)，其主要特點(diǎn)是執(zhí)行速度。
盡管準(zhǔn)諧振系統(tǒng)看似復(fù)雜，但它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：
?通過使重啟電源開關(guān)與最小化MOSFET漏極上的電壓同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，因而容性損耗減至極小。
?由于變頻器在不連續(xù)導(dǎo)電模式下工作，因而可通過檢測次級電流歸零，方便地實(shí)現(xiàn)同步整流。只需一個(gè)簡單的比較器來斷開起二極管作用的有源開關(guān)。
?寄生輻射小。因?yàn)槠浒j(luò)不像實(shí)際剛性開關(guān)的波形那么陡峭；而且，實(shí)現(xiàn)ZVS后，寄生輻射峰值出現(xiàn)在開關(guān)接通之后，開關(guān)接通時(shí)所有電容器幾乎都要放電。
?導(dǎo)通時(shí)間取決于輸入電壓，減小儲能電容可以方便地實(shí)現(xiàn)高頻顫動，從而使100Hz的波紋調(diào)制工作頻率。
回掃式QR系統(tǒng)要求檢測磁芯去磁以便正常工作。這就是說，導(dǎo)通時(shí)控制器將功率開關(guān)接通，并按Vin / Lp(Vin為整流后的儲能電壓，Lp為初級電感)以A/ms的速度對磁芯進(jìn)行磁化。當(dāng)峰值電流達(dá)到由負(fù)載/線路決定的值時(shí)，開關(guān)斷開，儲藏在初級電感中的所有能量傳到次級?，F(xiàn)在初級電流以另一個(gè)速度減少，它不再受Vin的影響，而是受“回掃”電壓 [Vout+Vf] x N/Lp的限制，其中Vout是輸出電壓，Vf是次級整流管在給定峰值電流下的正向壓降，N為次級對初級的匝數(shù)比。圖1和圖2對于在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)這些信號如何變化的問題作出了必要的說明。
總的來說，控制器需要在Ipeak時(shí)斷開開關(guān)，等到磁芯去磁后再次接通開關(guān)，開始另一個(gè)循環(huán)。反饋回路的作用就是不斷地調(diào)整峰值電流，從而調(diào)整輸出電壓到給定線路/負(fù)載的要求值。
圖 3 是QR控制器典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從中我們可以看到不同的部分：
?用于檢測磁芯去磁的電路，通常通過監(jiān)測由輔助繞組提供的電壓進(jìn)行，該電壓公式。這一功能由一個(gè)比較器完成，我們在后文中會介紹。
?在電流模式下工作的QR控制器中應(yīng)當(dāng)有一個(gè)閂鎖電路。當(dāng)達(dá)到峰值電流設(shè)定值時(shí)，開始去磁。
?快速電流比較器，當(dāng)達(dá)到初級電平時(shí)對閂鎖電路復(fù)位。
控制器中最重要的部分是磁芯去磁檢測，它包含一個(gè)滯后比較器，如圖4所示。一個(gè)齊納二極管鎖定了輔助電平(通過一個(gè)串聯(lián)電阻限流)，同時(shí)也構(gòu)成一個(gè)真正的集成電路，防止在導(dǎo)通期間在去磁引腳端出現(xiàn)大的負(fù)向擺動而造成危害。執(zhí)行滯后比較器只需幾行Spice代碼即可：
IsSpice4:
.SUBCKT COMPARHYS NINV INV OUT {VHIGH=12 VLOW=100m VHYS=50m}
B2 HYS NINV V = V(OUT) > {(VHIGH+VLOW)/2} ? {VHYS} : 0
B1 4 0 V = V(HYS,INV) > 0 ? {VHIGH} : {VLOW}
RO 4 OUT 100
CO OUT 0 100PF
.ENDS
PSpice:
.SUBCKT COMPARHYS NINV INV OUT params: VHIGH=12 VLOW=100m VHYS=50m
EB2 HYS NINV Value = { IF ( V(OUT) > {(VHIGH+VLOW)/2}, {VHYS}, 0 ) }
EB1 4 0 Value = {IF ( V(HYS,INV) > 0, {VHIGH}, {VLOW} ) }
RO 4 OUT 100
CO OUT 0 100PF
.ENDS
一旦所有塊組合在一起就創(chuàng)建出符號表示系統(tǒng)，從而得到最終的應(yīng)用電路(圖5)。雙繞組變壓器和簡化的反饋系統(tǒng)進(jìn)一步簡化了仿真器的工作?？梢允褂肕OSFET晶體管，但還可以用一個(gè)簡化的開關(guān)構(gòu)成一個(gè)更簡單的應(yīng)用電路。一個(gè)簡單的RC網(wǎng)絡(luò)——R6-C6可引入必要的延時(shí)，用于在漏-源波形的最低點(diǎn)重新啟動開關(guān)，也稱為“谷點(diǎn)開關(guān)”運(yùn)行。
由于模型的簡化，電路可以在不到20秒的時(shí)間內(nèi)模擬1GHz計(jì)算機(jī)中2ms的瞬態(tài)運(yùn)行。同樣的電路，但使用實(shí)際QR模型，如NCP1205，需要70秒，時(shí)間是簡化模型的3.5倍以上。因此負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)和迭代工作也可方便地進(jìn)行，而不需花費(fèi)設(shè)計(jì)人員很多時(shí)間。完整的模型有INTUSOFT版本和OrCAD版本(完全立即可用的模板)，并可以從網(wǎng)站下載：http://perso.wanadoo.fr/cbasso/Spice.htm。請注意，子電路FreeRunDT具有最小的Toff(它鎖定了最大的開關(guān)頻率，同時(shí)也消除了漏感的寄生振鈴)，而另一個(gè)子電路FreeRunNDT不具有最小Toff發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)。