Buck電路的設(shè)計(jì)與仿真開環(huán)設(shè)計(jì)與仿真Saber

會計(jì)學(xué)1Buck電路的設(shè)計(jì)與仿真開環(huán)設(shè)計(jì)與仿真SaberDC-DC電路(Buck)的設(shè)計(jì)與仿真開環(huán)設(shè)計(jì)；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化；閉環(huán)設(shè)計(jì)與仿真；閉環(huán)仿真；元件級設(shè)計(jì)與仿真。第1頁/共44頁一Buck電路的開環(huán)設(shè)計(jì)（1）性能指標(biāo)；（2）Buck電路的工作原理；（3）Buck電路的開環(huán)設(shè)計(jì)；第2頁/共44頁（1）性能指標(biāo)DC-DC變換器性能指標(biāo)：輸入電壓：36-72VDC（額定48V）輸出性能：額定輸出電壓Vout28VDC輸出電流紋波Vout(p-p)<50mV額定負(fù)載電流Iout10A，在負(fù)載電流大于2A時(shí)，電感電流工作于CCM。其他性能：開關(guān)頻率100kHz第3頁/共44頁（2）Buck電路的工作原理電路拓?fù)銫CM下的電路工作原理第4頁/共44頁（3）Buck電路的開環(huán)設(shè)計(jì)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)（1）占空比（2）濾波電感量濾波電感設(shè)計(jì)（3）濾波電容（4）功率器件第5頁/共44頁占空比（1）占空比第6頁/共44頁濾波電感設(shè)計(jì)電感量，2A時(shí)（1/5負(fù)載），電感電流臨界連續(xù)。第7頁/共44頁濾波電容設(shè)計(jì)ILf>Io充電,ILf<Io放電；第8頁/共44頁Buck電路的設(shè)計(jì)開環(huán)設(shè)計(jì)；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化；閉環(huán)基本概念與AC小信號仿真；閉環(huán)仿真；元件級仿真。第9頁/共44頁開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化（1）原理圖編輯（2）仿真模擬（3）仿真結(jié)果分析（4）模型細(xì)化第10頁/共44頁（1）原理圖編輯第11頁/共44頁（1）原理圖編輯啟動(dòng)SaberSketch打開電路圖編輯窗口創(chuàng)建新設(shè)計(jì)打開已有設(shè)計(jì)選擇和放置電路元件查找元件Search

Browse復(fù)制元件（含屬性）元器件的移動(dòng)第12頁/共44頁（1）原理圖編輯ResistorVoltagesource,constantidealDCsupplySwitch,PowersemiconductorDiode,idealInductorCapacitorLogicClockGround,(Sabernode0)第13頁/共44頁（1）原理圖編輯修改元器件屬性理解所選擇元器件的屬性定義屬性幫助文件的使用布線畫線重新布線連線與電壓節(jié)點(diǎn)命名保存第14頁/共44頁開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化（1）原理圖編輯（2）仿真（3）仿真結(jié)果分析（4）模型細(xì)化第15頁/共44頁（2）仿真模擬：仿真工具和仿真類型第16頁/共44頁（2）仿真模擬DC工作點(diǎn)分析(DCoperatingpoint)DC分析的概念與作用執(zhí)行DC分析（主要設(shè)置）查看和評估工作點(diǎn)第17頁/共44頁（2）仿真模擬DC工作點(diǎn)分析(DCoperatingpoint)DC分析的概念與作用靜態(tài)工作點(diǎn)：電子線路中的一些非線性元件（如二極管、三極管），其運(yùn)行特性取決于偏置點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。為時(shí)域分析和交流小信號分析提供初始值。t=0時(shí)，所有時(shí)變參量為0情況下，分析電路的DC偏置點(diǎn)。（如電感為短路，電容為開路等）作用：求解系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)，為其他分析提供計(jì)算初始點(diǎn)；提供快速檢查。第18頁/共44頁難以進(jìn)行直流分析的電路電容割集（電容和電流源組成的割集）;電壓源與電感串聯(lián)、電流源與電容串聯(lián);具有不同初值的電感串聯(lián)具有不同初值的電容并聯(lián);第19頁/共44頁Analyses>OperatingPoint>DCOperatingPoint:（簡略介紹）第20頁/共44頁仿真器主要參數(shù)：Monitorprogress：進(jìn)度顯示控制；

0執(zhí)行時(shí)間-1執(zhí)行概要和時(shí)間其他整數(shù)迭代信息、運(yùn)算法則、截?cái)嗾`差、CPU時(shí)間等SamplePointDensity;DisplayAfterAnalysis：自動(dòng)顯示結(jié)果。第21頁/共44頁仿真器主要參數(shù)：EndingInitialPointFile：結(jié)束文件；UseInitialConditions：是否使用初始條件。第22頁/共44頁（2）仿真模擬時(shí)域分析（transient）時(shí)域分析的概念與作用瞬態(tài)分析用于檢驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)域特性，此分析通常從靜態(tài)工作點(diǎn)開始。是功率變換器數(shù)值仿真中應(yīng)用最廣泛的分析類型。瞬態(tài)分析對話框第23頁/共44頁Analysis>TimeDomain>Transient:BasicEndTime：定義瞬態(tài)分析結(jié)束時(shí)間；TimeStep：步長；設(shè)計(jì)中有關(guān)時(shí)間常數(shù)的1/10；驅(qū)動(dòng)源最小的上升或下降沿；正弦驅(qū)動(dòng)源輸入周期的1/100。StartTime：開始時(shí)間;第24頁/共44頁Analysis>TimeDomain>Transient:BasicMonitorprogress0執(zhí)行時(shí)間-1執(zhí)行概要和時(shí)間其他整數(shù)迭代信息、運(yùn)算法則、截?cái)嗾`差、CPU時(shí)間等DCanalysisPlotafteranalysis第25頁/共44頁Analysis>TimeDomain>Transient:CalibrationTruncationError在分析過程中每次計(jì)算結(jié)果的舍入精度。這個(gè)參數(shù)對仿真結(jié)果精度影響很大，甚至導(dǎo)致仿真不收斂。參數(shù)值越小，仿真精度越高，但參數(shù)值過小會降低仿真速度。通常取100u即可。0.1倍改變SamplepointDensity第26頁/共44頁SamplePointDensity：仿真器對電路中的非線性模塊做線性化處理時(shí)將其分為n個(gè)線性段(n值為此參數(shù)值的2倍)，n越大，精度越高，但會降低仿真速度，最大可取1k。DC分析中，有助于找到直流工作點(diǎn)；Transient分析中，乘以DC分析中的該設(shè)置值；取值越大，曲線越平滑，越逼近真實(shí)波形；2倍第27頁/共44頁開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化（1）原理圖編輯（2）仿真模擬（3）仿真結(jié)果分析（4）模型細(xì)化第28頁/共44頁（3）仿真結(jié)果分析查看仿真波形圖形文件的打開現(xiàn)有信號的查看信號的運(yùn)算測量分析結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足要求觀測各種情形下關(guān)鍵點(diǎn)波形第29頁/共44頁（3）仿真結(jié)果分析輸出電壓紋波；電容電流波形，軟啟動(dòng)的概念電感電流波形（DCM、CCM）；電感電壓波形開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力；二極管電壓、電流波形；電源電流波形；不同Vin和不同負(fù)載的情況；輸出功率波形波形（運(yùn)算）。第30頁/共44頁Buck電路的設(shè)計(jì)開環(huán)設(shè)計(jì)；開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型細(xì)化；閉環(huán)基本概念與AC小信號仿真；閉環(huán)仿真；元件級仿真。第31頁/共44頁開環(huán)仿真（瞬態(tài)）、分析與模型完善（1）原理圖編輯（2）仿真模擬（3）仿真結(jié)果分析（4）模型完善第32頁/共44頁（4）模型完善濾波電感——串聯(lián)電阻線路壓降；（實(shí)際設(shè)計(jì)<需要查磁芯手冊>）濾波電容—串聯(lián)電阻輸出電壓紋波；線路寄生參數(shù)及其影響寄生電感；寄生電容；半導(dǎo)體器件的寄生參數(shù)和實(shí)際元器件的選取第33頁/共44頁I濾波電感設(shè)計(jì)電感量計(jì)算；磁芯選取電感磁芯材料的選?。河休^大的直流偏磁，磁通擺幅小，相應(yīng)交流損耗也小，因此可以選擇較高的飽和磁密。應(yīng)選?。ㄨF氧體、鐵粉芯、鐵鋁硅Koolu、MPP、highflux、非晶等）；----初選磁芯型號：其中Lf為電感值（H），I為通過電感的直流平均值（A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是線圈電流密度，通常取3~5（A/mm2），Kw是窗口的填充系數(shù)，Kc為磁芯填充系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，查相關(guān)手冊后可初選出磁芯型號。第34頁/共44頁（2）濾波電感設(shè)計(jì)計(jì)算匝數(shù)和氣隙最大磁通擺幅：計(jì)算匝數(shù)和氣隙計(jì)算導(dǎo)體尺寸線圈電流密度通常取3~5（A/mm2）。

校核：

Bm、窗口、損耗(銅耗，鐵耗查曲線)第35頁/共44頁II濾波電容設(shè)計(jì)（電解）If>Io充電,If<Io放電；第36頁/共44頁電解電容的ESR、ESL電容等效電路：C，ESR，ESL和RSESR：引線、焊接和介質(zhì)極化損耗。介質(zhì)損耗與溫度和頻率有關(guān)。一般ESR與其容量的乘積為RESRC＝50~80×10-6(s)ESL：引線、電容極板結(jié)構(gòu)有關(guān)。RS：泄漏電阻，一般很大壽命降額：Arrhenius定律，容芯溫度減少10℃，壽命增加1倍。ESR與紋波電流：電解電容的溫升是RESRI2引起的。開關(guān)電源中輸出紋波電壓主要是ESR引起的。而I為紋波電流的有效值。第37頁/共44頁例：Buck類LC濾波輸出電流為20A,允許紋波紋波電壓為100mV。f=100kHz.選擇電解電容。解：紋波電流為4A。因?yàn)棣pp＝ΔIRESR＝4×65×10-6/C,則需要C＝4×65×10-6/0.05=2600μF，取2700uF，其ESR約為24.1m；ESR引起的紋波為96.4m如果不考慮ESR，按照此容量計(jì)算紋波電壓為ΔUpp＝ΔIT/2C＝4×10×10-6/(2×2700×10-6）=7.5mV紋波：第38頁/共44頁（4）模型細(xì)化（完善）開關(guān)管——應(yīng)力計(jì)算、選取及實(shí)際器件選?。籊etpartparametricsearch……二極管——應(yīng)力計(jì)算、選取及實(shí)際器件選??；第39頁/共44頁參考資源及介紹SaberhelpfilesD:\Synopsys\Z-2007.03\doc\webworks_docs\saberExample:PowerConverterDesignExample；SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser；SketchUser；HotkeyUser網(wǎng)絡(luò)資源使用方法介紹第40頁/共44頁小結(jié)||3-6||掌握DC-DC電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法；掌握用SaberSketch輸入電路原理圖的方法、掌握瞬態(tài)仿真的基本參數(shù)設(shè)置方法、掌握查看波形方法；借助仿真軟件深入理解Buck電路工作原理。作業(yè)：1：完成單端正激電路設(shè)計(jì)報(bào)告（含所有主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，需要查閱相關(guān)手冊，選取所有元器件）；saber0307@126.com；Password:0307123456第41頁/共44頁作業(yè)內(nèi)容1：單端正激電路設(shè)計(jì)報(bào)告（含變壓器與電感器的設(shè)計(jì)）；主電路設(shè)計(jì)（變壓器、開關(guān)管、二極管、濾波電感、濾波電容）；仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指