TPS54310的平均SPICE模型的建立與應(yīng)用

同步整流管模型的構(gòu)建

TPS54310同步整流管模型簡(jiǎn)化地用具有更小正向電壓降的肖特基二極管來模擬。對(duì)理想二極管，正向電壓降的公式：

（圖9）同步整流管模型的I-V仿真特性曲線

一般用增大飽和電流IS的辦法建立肖特基二極管的模型。用ICAP4軟件包中的模型提取工具 SpiceMod，可以快速地建立同步整流管模型，如下： .MODEL D_SYNC D (IS=3.99M RS=2.8M N=1 CJO=10P VJ=0.75 M=0.333 TT=1.0N)。

（圖9）是仿真的同步整流管模型I-V特性曲線。

可以看出，當(dāng)電流為3A時(shí)，正向電壓降為0.18V。

這個(gè)結(jié)果與TPS54310的同步整流管在3A時(shí)的壓降3*0.059=0.177V是吻合的。

最終建立的TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路見（圖10），（圖11）是對(duì)應(yīng)的宏模型塊的符號(hào)，供畫仿真電路圖時(shí)調(diào)用。定義的6個(gè)管腳除VERR外，都與TPS54310的實(shí)際管腳一致。管腳VERR用來在開環(huán)交流小信號(hào)仿真時(shí)插入交流信號(hào)源。TPS54310的模型需輸入四個(gè)參數(shù)：開關(guān)頻率FS，儲(chǔ)能電感值L，儲(chǔ)能電感的歐姆電阻RS，高頻開關(guān)管的導(dǎo)通電阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE網(wǎng)絡(luò)文件見附件。

（圖11）TPS54310宏模型塊符號(hào)

3 TPS54310的平均SPICE模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

為了驗(yàn)證模型的正確性，用TI公司提供的專用設(shè)計(jì)軟件SWIFT? Designer 2.01設(shè)計(jì)了五種DC-DC變換電路，然后利用前面所建的TPS54310模型，構(gòu)成同樣的DC-DC變換器的仿真電路，在ICAP4軟件上進(jìn)行直流分析和交流小信號(hào)分析，比較這兩種方法獲得的數(shù)據(jù)，見（表1）?？梢钥闯觯叩牟顒e非常小。因此有理由認(rèn)為，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。

（圖10）TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路

表一

（圖12）TPS54310演示板直流和交流小信號(hào)仿真電路

（圖13）

（圖15）負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形

（圖16）輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線

（圖14）TPS54310演示板負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動(dòng)衰減率仿真電路

下面，利用前面所建的TPS54310平均 SPICE模型對(duì)TI公司提供的演示板電路進(jìn)行全面的仿真分析。直流和交流小信號(hào)分析的仿真電路見（圖12），直流工作點(diǎn)標(biāo)注在圖上。得到的系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性（幅頻和相頻）見（圖 13）。環(huán)路增益交越頻率為44KHz，過0dB 時(shí)，相移為83.1度，證明該電源系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（圖14）是仿真負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動(dòng)衰減率的電路圖。注意仿真技巧，C3 由（圖12）的1kF變?yōu)?pF,相當(dāng)于交流開路節(jié)點(diǎn)8和4；同時(shí)，L1 由（圖12）的1gH變?yōu)?pH,相當(dāng)于交流短路節(jié)點(diǎn)8和5，形成閉環(huán)。分段線性源ILoad模擬負(fù)載電流的瞬間突變（在1us內(nèi)跳變3A）。（圖15）是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。在電源輸入端插入1Vac 的交流電壓源，在節(jié)點(diǎn)9得到如（圖16）所示的輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線，反映了系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)正弦波輸入電壓擾動(dòng)的抑制能力。為了研究系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抑制能力，在輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形輸出端插入1Aac的交流電流源（仿真電路略），在節(jié)點(diǎn)9可得到閉環(huán)輸出阻抗，見（圖17）。至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已對(duì)TI公司提供的演示板電路進(jìn)行了較全面的動(dòng)態(tài)指標(biāo)的仿真分析，包括穩(wěn)定性，快速性和抗擾動(dòng)性，這是TI的設(shè)計(jì)軟件SWIFT? Designer 2.01所不能給出的。

（圖17）閉環(huán)輸出阻抗與頻率的關(guān)系曲線

4. 總結(jié)

建立TPS54310平均SPICE模型的意義在于，只需要廠家公開的電源IC的技術(shù)資料，就能提取具有相當(dāng)準(zhǔn)確度的模型，方便設(shè)計(jì)者在制作出實(shí)際的電路之前，對(duì)電源的性能，特別是動(dòng)態(tài)性能做出全面的評(píng)估，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)者對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化。而且比起開關(guān)模型來說，占用機(jī)時(shí)少，有很高的仿真效率。對(duì)比廠家給出的原始設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用平均SPICE模型在通用電路分析軟件上仿真更靈活，更強(qiáng)大，應(yīng)該是原始設(shè)計(jì)軟件必不可少的補(bǔ)充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流BUCK型DC-DC模塊平均SPICE模型的通用電路框架，具有一定的普遍性。稍微調(diào)整幾個(gè)模型參數(shù)，就可以建立TI公司整個(gè)SWIFT電源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。對(duì)其他廠家的電源IC產(chǎn)品，通過適當(dāng)修改也可以方便地建立它們的平均SPICE模型。