基于PSpice-SLPS接口的开关电源应用设计

 

电源系统电路，例如用于开关电源或电机控制系统的电路，可分为两部分：通过电源开关装置开/关电流或电压的电路，以及带有集成电路和其他部件的控制电路。当利用SPICE等电路模拟器对整个系统进行建模时，需要将所有控制设备渲染为电气元件，从而使电路变得复杂。因此，设计电路需要浪费大量的时间，而不是用在设计的早期阶段验证需要重点关注的关键点。元素数量的增加可能会增加电路计算收敛错误的概率，并需要大量的时间进行运算，甚至更可能因为电路计算无法收敛，导致仿真无法进行。

另一方面，使用MATLAB/Simulink系统模拟器对整个系统进行建模，可以更容易地用数学方法表达控制算法，但如果没有器件库，就很难准确地表达电气特性，例如开关器件的上升/下降沿特性、电感器、变压器等。
 

本文介绍了如何通过PSpice SLPS接口(以下简称“SLPS”)分析前向型开关电源电路，该接口可以实现PSpice电路模拟器和MATLAB/Simulink系统的联合仿真。

 

01基于PSpice的电路设计

 

本示例中使用的正向转换器的示意图如下所示：

正向转换器原理图

 

 

该电路的条件如下：

额定输入电压：130V

输出电压：10V

输出电流：10A

 

此时，求接Q1的缓冲电路电容的最优值，以使开关功率损耗最小。

下图为利用PSpice参数分析函数，当C2值从0.1n变化到1.0n时，Q1的VCE波形变化情况。

从这个结果来看，0.5nF被认为是一个合适的值，可以在开关时产生更小的功率损耗和更小的VCE值。

下图为C2设为0.5nF时输出电压/电流和VCE波形。

 

使用可变阻抗ZX代替负载电阻R1，以便Simulink可以通过Vload指定负载值.

 

可变负载电路

02基于MATLAB/Simulink的控制系统设计

 

如下分配SLPS块，并通过MATLAB/Simulink设计PWM控制器。

整体模型

原理图应用于SLPS块，并指定输出电压（Vout）、输出电流（Iout）和开关晶体管的功耗（Tr功率耗散）作为输出。将Vout设置为PWM控制器的输入，并将来自控制器和负载的开关控制信号设置为SLPS块的输入。

  

PWM控制器

 

控制器模型中，通过将PI控制的输出电压与参考值进行比较，然后与三角波进行比较，生成PWM信号。

 

结果

Simulink设置为以下条件:

End time: 1e-3 seconds

Solver type: Fixed step

Solver:ode5

Step size: 1e-6 seconds

 
 

以下显示了当负载电阻值设置为1Ω时的模拟结果：

上：输出电压；下： 输出电流

 

 

上： 晶体管功耗； 下： 开关信号波形
 

 

  1.2mS时负载电阻从1变为5Ω

 

结果表明，启动后输出在0.4mS左右开始稳定，并随负载变化而变化。

 

 

总结

在本设计实例中，电路采用PSpice环境设计，控制系统采用Simulink环境设计。通过电路表达元件的电气特性，包括器件的时延，以及难以用数学公式表达的特性，然后利用PSpice设计了基本电路。应用数学表达式中的灵活Simulink模型来设计激活电路的控制器。最后，使用SLPS将两个环境结合起来，进行考虑电气特性的整体模拟。

PSpice系统充分利用了各仿真工具的特点，使系统设计更加高效。