用SPICE和PSPICE仿真開關(guān)電源

　　由于DC／DC PWM功率轉(zhuǎn)換器的非線性，以及可能有的多種運(yùn)行模式（CCM模式或DOM模式），使分析十分 困難。

　　在設(shè)計或分析開關(guān)電源時，仿真起了重要作用。數(shù)字仿真手段可以用來檢驗(yàn)設(shè)計是否滿足性能要求。用 數(shù)字仿真可以減少電路的實(shí)驗(yàn)工作，與電路實(shí)驗(yàn)相比仿真所需要的時間要少得多，并且可以更全面、更完 整地進(jìn)行，以幫助改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量。此外，仿真還可以提供某些信息。因此仿真可以加速對開關(guān)電源的分析 與設(shè)計評估，對于大信號分析，一般很難用解析法求解，更需要借助于數(shù)字仿真。因此，仿真是介于開關(guān) 電源的理論設(shè)計和硬件電路板實(shí)驗(yàn)之間的一個重要步驟。有時應(yīng)用仿真手段可以比硬件實(shí)驗(yàn)更透徹地了解 理論設(shè)計中存在的問題及其解決方法。在理論設(shè)計完成以后，可以先用一種簡單的電路仿真模型來檢驗(yàn)； 實(shí)際電路存在著許多非理想的特性，如噪聲，寄生電容、漏電感和線路電感、開關(guān)時間、二極管恢復(fù)過程 等。非理想元件可以在SPI（E模型中考慮，如每次仿真時，只考慮其中－個或兩個問題，以研究它們對開 關(guān)電源性能的影響，從而避免了許多由于非線性而產(chǎn)生的迷惑或復(fù)雜現(xiàn)象。

　　有些理論問題過于復(fù)雜或發(fā)展還不完善（如諧振轉(zhuǎn)換器，漏電感對交叉調(diào)節(jié)的影響，電路的損耗等）， 要將這些理論應(yīng)用于設(shè)計時，可以先用SPICE仿真試驗(yàn)試探（Trial＆error）分析。SPICE仿真還可以用來 分析一些潛在的問題，如伏安不平衡造成變壓器飽和，不確定的RC鉗位電壓水平。在實(shí)際電路中，這些問 題可能會破壞功率晶體管或整流器；因此事先做仿真研究分析是必要的。由于PSPICE是從SPICE派生出來 的，所以本章主要結(jié)合SPICE來介紹它的應(yīng)用，原則上這些論述也適用于PSPICE。

　　用仿真檢驗(yàn)設(shè)計以后，SPICE程序可以給出小信號開環(huán)頻率特性（Bode曲線），以驗(yàn)證開關(guān)電源的瞬態(tài) 響應(yīng)和啟動特性。－旦通過了仿真試驗(yàn)，硬件電路實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)設(shè)計的最后一步，硬件實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)只對設(shè)計做 一些小的修改，得到這樣的結(jié)果才算是一個滿意的設(shè)計過程。

　　用SPICE分析開關(guān)電源，國外有不少人做過大量的建模開發(fā)研究工作，如Bello，MON-teith，Griffin ，Y，S．Lee等。

　　開關(guān)電源大信號數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)了兩個（動態(tài)）變量相乘的項(xiàng)，如dU或ax（J為導(dǎo)通比或占空比，U為輸 人電壓，X為狀態(tài)變量）。SPICE軟件包可以處理這類瞬態(tài)非線性二次項(xiàng)。因此不僅可以用SPI（E程序?qū)﹂_ 關(guān)電源做直流分析和交流小信號分析，而且網(wǎng)可以分析開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的大信號瞬態(tài)過程，如啟動過程或 負(fù)載電流小信號分析，并且還可以分析開環(huán)系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)的大信號瞬態(tài)過程，如啟動過程或負(fù)載電流大 幅度變化等。近幾年，人們已應(yīng)用SPICE軟件分析了有前饋及電流控制的開關(guān)電源，也有人用于仿真諧振式轉(zhuǎn)換器。

　　開關(guān)轉(zhuǎn)換器主電路的主要部件，是用導(dǎo)通比脈沖列d控制的開關(guān)晶體管。應(yīng)用SPICE仿真程序必須先建立功率半導(dǎo)體開關(guān)器件和控制電路的專用仿真模型，它包含三個內(nèi)容：

　?。?）功率半導(dǎo)體開關(guān)管的模型用一個導(dǎo)通比d控制的理想變壓器表示，變壓器的變比與J有關(guān)。因此仿真模型中除了理想變壓器原副邊四個端子外，還有實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通比＇控制的輸人端子?？刂齐娐芬矐?yīng)當(dāng)用一定的符號表示，并標(biāo)明輸人纈出端子。

　?。?）等效子電路：用電流源、電壓源、電阻、電容等元件組成上述兩種模型的等效子電路。

　?。?）子電路仿真程序：將子電路拓?fù)浜驮?shù)按照規(guī)定的格式用描述語言輸入到計算機(jī)中。

　　將上述未用的仿真模型與SPICE通用電路程序結(jié)合起來，其子電路仿真程序作為SPICE的一個子程序，便可以對各種開關(guān)轉(zhuǎn)換器或開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行仿真分析。

　　用SPICE仿真程序，其精確度取決于步長和積分階次（Integration Order）。