Buck电路的设计与仿真开环设计与仿真Saber

会计学1Buck电路的设计与仿真开环设计与仿真SaberDC-DC电路(Buck)的设计与仿真开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环设计与仿真；闭环仿真；元件级设计与仿真。第1页/共44页一Buck电路的开环设计（1）性能指标；（2）Buck电路的工作原理；（3）Buck电路的开环设计；第2页/共44页（1）性能指标DC-DC变换器性能指标：输入电压：36-72VDC（额定48V）输出性能：额定输出电压Vout28VDC输出电流纹波Vout(p-p)<50mV额定负载电流Iout10A，在负载电流大于2A时，电感电流工作于CCM。其他性能：开关频率100kHz第3页/共44页（2）Buck电路的工作原理电路拓扑CCM下的电路工作原理第4页/共44页（3）Buck电路的开环设计主电路参数设计（1）占空比（2）滤波电感量滤波电感设计（3）滤波电容（4）功率器件第5页/共44页占空比（1）占空比第6页/共44页滤波电感设计电感量，2A时（1/5负载），电感电流临界连续。第7页/共44页滤波电容设计ILf>Io充电,ILf<Io放电；第8页/共44页Buck电路的设计开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环基本概念与AC小信号仿真；闭环仿真；元件级仿真。第9页/共44页开环仿真（瞬态）、分析与模型细化（1）原理图编辑（2）仿真模拟（3）仿真结果分析（4）模型细化第10页/共44页（1）原理图编辑第11页/共44页（1）原理图编辑启动SaberSketch打开电路图编辑窗口创建新设计打开已有设计选择和放置电路元件查找元件Search

Browse复制元件（含属性）元器件的移动第12页/共44页（1）原理图编辑ResistorVoltagesource,constantidealDCsupplySwitch,PowersemiconductorDiode,idealInductorCapacitorLogicClockGround,(Sabernode0)第13页/共44页（1）原理图编辑修改元器件属性理解所选择元器件的属性定义属性帮助文件的使用布线画线重新布线连线与电压节点命名保存第14页/共44页开环仿真（瞬态）、分析与模型细化（1）原理图编辑（2）仿真（3）仿真结果分析（4）模型细化第15页/共44页（2）仿真模拟：仿真工具和仿真类型第16页/共44页（2）仿真模拟DC工作点分析(DCoperatingpoint)DC分析的概念与作用执行DC分析（主要设置）查看和评估工作点第17页/共44页（2）仿真模拟DC工作点分析(DCoperatingpoint)DC分析的概念与作用静态工作点：电子线路中的一些非线性元件（如二极管、三极管），其运行特性取决于偏置点，称为静态工作点。为时域分析和交流小信号分析提供初始值。t=0时，所有时变参量为0情况下，分析电路的DC偏置点。（如电感为短路，电容为开路等）作用：求解系统的静态工作点，为其他分析提供计算初始点；提供快速检查。第18页/共44页难以进行直流分析的电路电容割集（电容和电流源组成的割集）;电压源与电感串联、电流源与电容串联;具有不同初值的电感串联具有不同初值的电容并联;第19页/共44页Analyses>OperatingPoint>DCOperatingPoint:（简略介绍）第20页/共44页仿真器主要参数：Monitorprogress：进度显示控制；

0执行时间-1执行概要和时间其他整数迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等SamplePointDensity;DisplayAfterAnalysis：自动显示结果。第21页/共44页仿真器主要参数：EndingInitialPointFile：结束文件；UseInitialConditions：是否使用初始条件。第22页/共44页（2）仿真模拟时域分析（transient）时域分析的概念与作用瞬态分析用于检验系统的时域特性，此分析通常从静态工作点开始。是功率变换器数值仿真中应用最广泛的分析类型。瞬态分析对话框第23页/共44页Analysis>TimeDomain>Transient:BasicEndTime：定义瞬态分析结束时间；TimeStep：步长；设计中有关时间常数的1/10；驱动源最小的上升或下降沿；正弦驱动源输入周期的1/100。StartTime：开始时间;第24页/共44页Analysis>TimeDomain>Transient:BasicMonitorprogress0执行时间-1执行概要和时间其他整数迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等DCanalysisPlotafteranalysis第25页/共44页Analysis>TimeDomain>Transient:CalibrationTruncationError在分析过程中每次计算结果的舍入精度。这个参数对仿真结果精度影响很大，甚至导致仿真不收敛。参数值越小，仿真精度越高，但参数值过小会降低仿真速度。通常取100u即可。0.1倍改变SamplepointDensity第26页/共44页SamplePointDensity：仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时将其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n越大，精度越高，但会降低仿真速度，最大可取1k。DC分析中，有助于找到直流工作点；Transient分析中，乘以DC分析中的该设置值；取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍第27页/共44页开环仿真（瞬态）、分析与模型细化（1）原理图编辑（2）仿真模拟（3）仿真结果分析（4）模型细化第28页/共44页（3）仿真结果分析查看仿真波形图形文件的打开现有信号的查看信号的运算测量分析结果验证设计是否满足要求观测各种情形下关键点波形第29页/共44页（3）仿真结果分析输出电压纹波；电容电流波形，软启动的概念电感电流波形（DCM、CCM）；电感电压波形开关管电压、电流应力；二极管电压、电流波形；电源电流波形；不同Vin和不同负载的情况；输出功率波形波形（运算）。第30页/共44页Buck电路的设计开环设计；开环仿真（瞬态）、分析与模型细化；闭环基本概念与AC小信号仿真；闭环仿真；元件级仿真。第31页/共44页开环仿真（瞬态）、分析与模型完善（1）原理图编辑（2）仿真模拟（3）仿真结果分析（4）模型完善第32页/共44页（4）模型完善滤波电感——串联电阻线路压降；（实际设计<需要查磁芯手册>）滤波电容—串联电阻输出电压纹波；线路寄生参数及其影响寄生电感；寄生电容；半导体器件的寄生参数和实际元器件的选取第33页/共44页I滤波电感设计电感量计算；磁芯选取电感磁芯材料的选取：有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小，因此可以选择较高的饱和磁密。应选取（铁氧体、铁粉芯、铁铝硅Koolu、MPP、highflux、非晶等）；----初选磁芯型号：其中Lf为电感值（H），I为通过电感的直流平均值（A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是线圈电流密度，通常取3~5（A/mm2），Kw是窗口的填充系数，Kc为磁芯填充系数。经计算，查相关手册后可初选出磁芯型号。第34页/共44页（2）滤波电感设计计算匝数和气隙最大磁通摆幅：计算匝数和气隙计算导体尺寸线圈电流密度通常取3~5（A/mm2）。

校核：

Bm、窗口、损耗(铜耗，铁耗查曲线)第35页/共44页II滤波电容设计（电解）If>Io充电,If<Io放电；第36页/共44页电解电容的ESR、ESL电容等效电路：C，ESR，ESL和RSESR：引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与温度和频率有关。一般ESR与其容量的乘积为RESRC＝50~80×10-6(s)ESL：引线、电容极板结构有关。RS：泄漏电阻，一般很大寿命降额：Arrhenius定律，容芯温度减少10℃，寿命增加1倍。ESR与纹波电流：电解电容的温升是RESRI2引起的。开关电源中输出纹波电压主要是ESR引起的。而I为纹波电流的有效值。第37页/共44页例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为100mV。f=100kHz.选择电解电容。解：纹波电流为4A。因为ΔUpp＝ΔIRESR＝4×65×10-6/C,则需要C＝4×65×10-6/0.05=2600μF，取2700uF，其ESR约为24.1m；ESR引起的纹波为96.4m如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为ΔUpp＝ΔIT/2C＝4×10×10-6/(2×2700×10-6）=7.5mV纹波：第38页/共44页（4）模型细化（完善）开关管——应力计算、选取及实际器件选取；Getpartparametricsearch……二极管——应力计算、选取及实际器件选取；第39页/共44页参考资源及介绍SaberhelpfilesD:\Synopsys\Z-2007.03\doc\webworks_docs\saberExample:PowerConverterDesignExample；SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser；SketchUser；HotkeyUser网络资源使用方法介绍第40页/共44页小结||3-6||掌握DC-DC电路参数设计方法；掌握用SaberSketch输入电路原理图的方法、掌握瞬态仿真的基本参数设置方法、掌握查看波形方法；借助仿真软件深入理解Buck电路工作原理。作业：1：完成单端正激电路设计报告（含所有主电路参数设计，需要查阅相关手册，选取所有元器件）；saber0307@126.com；Password:0307123456第41页/共44页作业内容1：单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）；主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波电感、滤波电容）；仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指