1、第二章 DC-DC電路(Buck)的設(shè)計(jì)與仿真,DC-DC電路(Buck)的設(shè)計(jì)與仿真,開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)； 開(kāi)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(jí)設(shè)計(jì)與仿真。,一 Buck電路的開(kāi)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(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)；,（1）性能指標(biāo),DC-DC變換器性能指標(biāo)： 輸入電壓：36-72 VDC（額定48V） 輸出性能： 額定輸出電壓 Vout 28VDC 輸出電流紋波 Vout(p-p) 50mV 額定負(fù)載電流 Iout 10A，在負(fù)載電流大于2A時(shí)，電感電流工作于CCM。 其他性能： 開(kāi)關(guān)頻率 100kHz,（2）Bu

2、ck電路的工作原理,電路拓?fù)?CCM下的電路工作原理,（3）Buck電路的開(kāi)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,占空比,（1）占空比,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)。,濾波電容設(shè)計(jì),ILfIo充電,ILfIo放電；,Buck電路的設(shè)計(jì),開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)； 開(kāi)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(hào)仿真； 閉環(huán)仿真； 元件級(jí)仿真。,開(kāi)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,（1）原理圖編輯,（1）原理圖編輯,啟動(dòng)Saber Ske

3、tch 打開(kāi)電路圖編輯窗口 創(chuàng)建新設(shè)計(jì) 打開(kāi)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),（1）原理圖編輯,Resistor,Voltage source, constant ideal DC supply,Switch, Power semiconductor,Diode, ideal,Inductor,Capacitor,Logic Clock,Ground, (Saber node 0),（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(huà)線 重新布線 連線與電壓節(jié)點(diǎn)命名 保存,開(kāi)環(huán)仿真（瞬態(tài)

4、）、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,（2）仿真模擬：仿真工具和仿真類(lèi)型,（2）仿真模擬,DC工作點(diǎn)分析 (DC operating point) DC分析的概念與作用 執(zhí)行DC分析（主要設(shè)置） 查看和評(píng)估工作點(diǎn),（2）仿真模擬,DC工作點(diǎn)分析(DC operating point) 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(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)。為時(shí)域分析和交流小信號(hào)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(kāi)路等） 作用：求解系統(tǒng)的

5、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。,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);,Analyses Operating Point DC Operating Point :（簡(jiǎn)略介紹）,仿真器主要參數(shù)： Monitor progress ：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 Sample Point Density; Display After Analysis：自動(dòng)顯示結(jié)果。,仿真器主要參數(shù)： Endi

6、ng Initial Point File：結(jié)束文件； Use Initial Conditions：是否使用初始條件。,（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(kāi)始。是功率變換器數(shù)值仿真中應(yīng)用最廣泛的分析類(lèi)型。 瞬態(tài)分析對(duì)話框,Analysis Time Domain Transient :,Basic End Time：定義瞬態(tài)分析結(jié)束時(shí)間； Time Step：步長(zhǎng)； 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。 Start Time：開(kāi)始時(shí)間;,Analy

7、sis Time Domain Transient :,Basic Monitor progress 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 DC analysis Plot after analysis,Analysis Time Domain Transient :,Calibration Truncation Error 在分析過(guò)程中每次計(jì)算結(jié)果的舍入精度。這個(gè)參數(shù)對(duì)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(guò)小會(huì)降低仿真速度。通常取100u即可。0.1倍改變 Sample point Density,S

8、ample Point Density： 仿真器對(duì)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(huì)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,開(kāi)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,（3）仿真結(jié)果分析,查看仿真波形 圖形文件的打開(kāi) 現(xiàn)有信號(hào)的查看 信號(hào)的運(yùn)算 測(cè)量分析結(jié)果 驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足要求 觀測(cè)各種情形下關(guān)鍵點(diǎn)波形,（3）仿真結(jié)果分析,輸出電壓紋波； 電容電

9、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(kāi)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）。,Buck電路的設(shè)計(jì),開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)； 開(kāi)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(hào)仿真； 閉環(huán)仿真； 元件級(jí)仿真。,開(kāi)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,（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)） 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,

10、I 濾波電感設(shè)計(jì),電感量計(jì)算； 磁芯選取 電感磁芯材料的選取： 有較大的直流偏磁，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)選取（鐵氧體、鐵粉芯、鐵鋁硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；- 初選磁芯型號(hào)： 其中Lf為電感值（H），I為通過(guò)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35（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(cè)后可初選出磁芯型號(hào)。,（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35（A/mm2）。 校核： Bm、窗口、

11、損耗(銅耗，鐵耗查曲線),II 濾波電容設(shè)計(jì)（電解）,IfIo充電,IfIo放電；,電解電容的ESR、ESL,電容等效電路：C，ESR，ESL和RS,ESR：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RESRC508010-6(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(kāi)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。,例：Buck類(lèi)LC濾波輸出電流為20A,允許紋波紋波電壓為100mV。f=10

12、0kHz .選擇電解電容。 解：紋波電流為4A。因?yàn)閁pp IRESR 46510-6/C ,則需要C 46510-6/0.05=2600F，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Upp IT/2C 41010-6/(2270010-6）=7.5mV 紋波：,（4）模型細(xì)化（完善）,開(kāi)關(guān)管應(yīng)力計(jì)算、選取及實(shí)際器件選??； Get part parametric search 二極管應(yīng)力計(jì)算、選取及實(shí)際器件選?。?參考資源及介紹,Saber help files D:SynopsysZ-2007.03docwebworks_

13、docssaber Example: Power Converter Design Example；SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser；SketchUser；HotkeyUser 網(wǎng)絡(luò)資源 使用方法介紹,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(cè)，選取所有元器件） ； ；Password:0307123456,作業(yè)內(nèi)容,1：?jiǎn)味苏る娐吩O(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(kāi)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