---在主菜單中選Simulate-Edit Simulation Command,可以修改仿真命令。用戶可選擇6種仿真命令：Transient、AC analysis、DC sweep、Noise、DC Transfer和DC operating point treating,最常用的是Transient。一旦確定了仿真命令,就可以在主菜單中選Simulate-Run開始仿真。
---仿真開始前會彈出告示牌,警告仿真軟件將不理會器件的最大電壓、電流和最大功率限制,即使出現(xiàn)這種情況,仍然繼續(xù)運行。不過用戶可以觀察波形來了解器件的工作應(yīng)力。如果不希望總是彈出告示牌,可以關(guān)閉它。
---接下來出現(xiàn)選擇窗口,選擇觀察的波形所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),可以同時觀察多個波形并在電路界面中隨意選擇要看的電壓或電流波形。也可以通過下面的方法事先確定要觀察的波形所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),在主菜單中選擇View-SPICE Netlist,可以看到所有的網(wǎng)絡(luò),例如：
---“C16 0 N013 22μ......”
---此行中的文字的含義是：器件C16,引腳1接地(零電位),引腳2接網(wǎng)絡(luò)“N013”,電容量22μ......。從電路中可以看出,網(wǎng)絡(luò)“N013”實際上對應(yīng)輸出電壓。 設(shè)計實例
---設(shè)計目標(biāo)如下：輸入電壓為12V,變化范圍為10.2～13.8V;輸出電壓為1.2V,開關(guān)紋波小于40mVp-p;最大輸出電流為20A,最小電流為0.5A(實際電路中不可能空載);負(fù)載突變?yōu)?～20A,電壓跌落小于120mVp-p,20A到5A時的電壓上跳小于120mVp-p。仿真電路見圖1。
---在仿真電路中使用了凌特公司的LTC1778為控制器,該控制器通過檢測續(xù)流MOSFET導(dǎo)通時的電壓降,來實現(xiàn)快速限流,無需串聯(lián)電阻,減小了損耗;MOSFET(圖1中的SW)使用飛兆(Fairchild)公司的Si4862DY,耐壓16V,導(dǎo)通溝道電阻為3.3mΩ;電感器使用松下(Panasonic)公司的ETQP1R1BFA,規(guī)格為1.06μH、4.95mΩ,在22A電流下測量,電感量約為0.99μH。
---為了盡可能準(zhǔn)確,還需要考慮大電流通路上的銅線阻抗。假定兩個電容器之間的距離是10mm,線寬2.4mm,寬2.4mm、厚70μm、長10mm銅導(dǎo)線的阻抗計算公式如下。 其中,ρ是銅在常溫下的電阻率。
---Ci5代表放置在離DC/DC轉(zhuǎn)換器比較遠(yuǎn)的電容器,其線路等效電感為0.01μH,線路阻抗為10mΩ。
---以下從幾個方面著手,通過仿真尋找合適的元件參數(shù),達(dá)到設(shè)計要求。
---● 確定恰當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ?br> ---首先看電阻負(fù)載下輕載(0.5A)啟動特性。在非連續(xù)模式下(FCB端接INTVcc),輕載時的紋波達(dá)到76mVp-p,稍稍超過40mVp-p的要求,波形見圖2。負(fù)載電流達(dá)到5A以上,才自動進(jìn)入連續(xù)模式。所以,如果負(fù)載不是經(jīng)常處于“待機(jī)”狀態(tài),不建議使用非連續(xù)模式。
---在連續(xù)模式下,紋波減小到26mVp-p,波形見圖3。
---進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),降低Vrng端的分壓值(限流值降低),可以減小啟動暫態(tài)過程電感中的沖擊電流。此沖擊電流造成電感趨于飽和,電感量降低,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。遺憾的是,本文介紹的仿真軟件并不能模擬電感飽和的問題。
---雖然在使用“不飽和”磁芯的電感的情況下,電流上升對電感量的影響比較小,限流值可以適當(dāng)放寬,但是放寬后還有別的問題,如啟動時輸出電壓的“過沖”更大。
---輸出電流達(dá)到3.5A以上(負(fù)載電阻小于0.34Ω),自動進(jìn)入連續(xù)模式。仿真表明,輸入電壓在10.2～13.8V之間變化,對輸出特性的影響很小,完全能適應(yīng)輸入電壓的變化范圍。
---仿真中還發(fā)現(xiàn),LTC1778的“軟啟動”功能不夠完善,改變“RUN/SS”端到地的電容器的容量,軟啟動時間變化不明顯。
---● 合理配置輸出平滑電容器
--- 增加輸出電容器的容量和選擇低ESR的電容器可以減小輸出紋波。下面通過仿真來選擇合適的電容器,滿足設(shè)計要求,即輸出電流為0.5～20A,開關(guān)紋波小于40mVp-p。
---使用AVX公司的型號為TAJE227K010的普通鋁電解電容器,容量為220μF,耐壓10V,ESR為0.9Ω,4個電容并聯(lián),再加一個22μF、ESR為0.9Ω的無極性電容器,仿真結(jié)果表明紋波高達(dá)175mVp-p,波形如圖4所示。
---使用松下公司的低ESR鋁電解柱狀貼裝電容器,型號為UUD1E221MNR1GS,容量為220μF,ESR為0.17Ω,4個電容并聯(lián)。再加一個22μF、ESR為0.9Ω的無極性電容器,此時紋波為95mVp-p,仍然未達(dá)到要求,波形如圖5所示。
---將電容器的容量增大到原來的兩倍,每個電容器的ESR不變,紋波為70mVp-p,紋波的改善非常有限。
---使用松下公司型號為EEFSL0D121R的超低ESR鋁電解電容器,容量為120μF,ESR為0.009Ω,4個電容并聯(lián)。再加一個TDK公司的22μF、ESR為0.003Ω的無極性電容器,此時的輸出紋波為10mVp-p,波形如圖6所示。
---可見,輸出濾波電容器的容量雖然減小了,但是由于ESR大幅度減小,輸出紋波有明顯改善。實際上,在每個電容器ESR不變的前提下,電容器的容量從220μF變到62μF,輸出紋波的變化很小。更小的輸出電容器會導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定,紋波不均勻。
---實際的電容器是有等效串聯(lián)電感的。假定每個輸出電容器的等效串聯(lián)電感是5nH,采用120μF、耐壓為2V、ESR為0.009Ω的電容,4個并聯(lián)時的紋波為15mVp-p,波形如圖7所示。
---另一個不容忽視的問題是電容器中的充放電電流必須小于該型號電容器的允許最大紋波電流。三洋、松下、KEMET等公司都推出了低ESR、大紋波電流的專用電容器。
---● 改善動態(tài)特性
--- LTspice/ SwitcherCAD III仿真軟件允許用戶方便地設(shè)定動態(tài)負(fù)載。點擊快捷“component”(與門符號),在彈出的元件選擇對話框中選擇“l(fā)oad”,放置在負(fù)載的位置上,取代原來的電阻負(fù)載。點擊右鍵編輯此負(fù)載,將其設(shè)定為：延遲300μs,從5A上升到20A,保持100μs,上升和下降時間為0.1μs。
---輸出電容器為120μ、2V、0.009Ω,4個并聯(lián)。再加一個TDK公司的22μF,ESR為0.003Ω的無極性電容器,電感量為1.06μH。輸出電壓隨負(fù)載電流變化的波形如圖8所示。
---負(fù)載電流從5A到20A突變,輸出電壓瞬間跌落約90mV;負(fù)載電流從20A到5A突變,輸出電壓瞬間上跳約230mV,未能滿足設(shè)計要求。圖中顯示的負(fù)載電流是變化的部分(0～15A),固定的部分為5A。
---從圖中看出,反饋電路實際上反映很快。從負(fù)載電流跌落的瞬間開始,電感電流就開始單調(diào)跌落,直到輸出電壓恢復(fù)到1.2V。說明在這段時間內(nèi),變換器已經(jīng)停止向負(fù)載提供能量,輸出電壓上跳是電感釋放所存儲能量所致。在輸出電壓“突起”的23μs時間內(nèi),后9μs中電感電流已經(jīng)是負(fù)值,即電感續(xù)流結(jié)束,轉(zhuǎn)而從輸出電容器中吸收能量�？梢�,問題的關(guān)鍵在于如何減小電感內(nèi)的能量,也就是減小電感量,同時增大輸出電容的容量。
---輸出電容器增大到220μF,4個并聯(lián),再加一個22μF、ESR為0.003Ω的電容器,電感量減小到0.58μH。負(fù)載電流從5A到20A突變,輸出電壓瞬間跌落約60mV;負(fù)載電流從20A到5A突變,輸出電壓瞬間上跳約110mV,達(dá)到設(shè)計要求。輸出電壓隨負(fù)載電流變化的波形如圖9所示。 | |
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