联系电话:021-54265138
【登录】【注册】
解决方案
Solutions
联系我们
CONTACT
免费热线
021-54265138
您现在的位置:首页 >解决方案 > 模拟电路仿真
利用PSpice2016中的FRA工具分析开关电源环路稳定性
2016-05-27 13:25:08


开关电源环路稳定性对开关电源来说是非常重要的,如果没有足够的相位裕度和增益裕度,电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。本文旨在介绍如何利用PSpice 2016新功能FRA工具实现开关电源环路稳定性分析。
 

一、 开关电源基本结构

 
相较于线性电源,开关电源具有效率高,发热小,功率密度大等诸多优点,因此在电路系统中开关电源的应用很广泛。下图是AC-DC开关电源的结构框图,220V经过整流滤后产生一个310V的直流电压,然后再通过开关器件PWM调制将能量通过变压器传送到次级,次级经过滤波之后就得到实际的输出电压了。为了稳定输出电压,在输出端引入了反馈通路,将反馈量传给PWM控制器,进而调整输出电压。
 
图1
DCDC开关电源中没有变压器,取而代之的是电感。以buck为例,输入的直流电压被开关器件转化为占空比可调节的脉动电压,最后送入LC滤波器。下图中是开关管打开和关闭两种状态的电流流向:当开关闭合时,Ion通过电感L流入到Cout和负载并且Ion持续增大;当开关断开时,续流二极管续流,Ioff通过电感L继续给Cout和负载供电,此时Ioff持续减小。输出电压的大小和开关的占空比成正比例关系,Vout=Ton/(Ton+Toff)xVin
图2
图3
图4
在buck中为了稳定输出电压而引入负反馈,用的最多的是PI补偿器,有的时候为了更好的补偿环路特性增加相位裕度和响应带宽用PID补偿器,如下图5(在实际的电路中R3、C1有可能没有引入)
图5
为了分析整个环路的AC特性,将通路上的所有元件全部线性化,做出如图6的信号框图,其中PWM和Switch原先只有时域的模型,经过一些列的线性和等效的方法寻找到可以替代的AC模型,最后用AC分析工具可以很容易求出环路特性
图6
如果进一步精简控制信号流图,用G表示前馈通路,H表示反馈通路,那么闭环传递函数可以很快写出来,通过PSpice中的AC仿真可以查看传递函数的情况。
图7
通过上述方法可以分析开关电源的传递函数,但是涉及到功率级的开关信号和变压器的线性化过程。这个过程有的时候会很复杂,而且由于缺乏控制芯片的信息,建出来的模型精度和实际情况有差别。基于这个情况,可以从直接的时域模型入手,从时域模型得到开关电源的传递函数变得更加容易。
 
二、 通过时域的方法测量开关电源的传递函数
 
1、在研发开关电源的过程中,我们可以用网络分析仪测量到的整个环路的情况,测量的电路连接情况如下图。因为开关电源工作的时候都是闭环的,所以在测量时也必须保证这个闭环负反馈的存在,可以在开关电源的反馈电阻网络上串联一个AC源,然后在要关心的频率范围内依次扫描这些频点,得到每个频点的幅度响应和相位响应,最后绘制成一张完整的波特图。
图8
2、通过PSpice2016中的FRA功能分析环路特性。这个FRA模块的工作原理其实就是模拟了网络分析仪测量环路特性的过程,只是软件的方法更加地灵活了。只是在纯粹考虑电压增益(电流增益忽略)分析的时候要注意,图8中H输入必须是高阻输入,G的输出必须是低阻输出。
在实际的做仿真的时候,只需要将图8中的injection circuit替换为一个sin(2*pi*f*t)源,如图9中的V1。接下来的事情就是设置sin源的扫描频率,具体在PSpice输入命令,可以直接将如下的字符串放置到原理图中去。
 

@PSpice:                                  ** @PSpice 之后的字符作为spice字符处理

.param freq=1                                      ** 定义一个freq变量用作后面的频率扫描

.TRAN  0 {1/Freq+20u} 20u             **设置时域仿真时间

.STEP OCT PARAM FREQ 30k 1MEG 6   **设置扫频范围和间隔点

.PROBE64 P(FREQ)                            **打印FREQ变量到波形文件

.options MINSIMPTS = 1000              **设置时域仿真精度,越大精度越高

 

    用LM3691作为例子,将sin源放在FB之前,这里的FB作为芯片内部的误差放大器的输入点,它的输入阻抗很大,另一方面Vout是电源的输出节点,输出阻抗远远小于FB的输入阻抗,因此将V1插入这个地方是合适的。
图9
在原理图和仿真设置完成之后,点击运行仿真,仿真器会对每一个频点按照前面设置的仿真时间进行逐点扫描,最后出来一组曲线,如下图:
图10
*其中V(A)的波形看起来有些奇特,它是由于开关信号叠加到扫描频率上引起的 时域仿真完了之后所有的波形都保存在一个*.dat文件里面,之后调用FRA菜单,如下图
图11
图12  FRA界面
FRA里面的功能是由TCL语言写成的,可以打开查看。要用FRA里面的功能第1:指定前面做时序仿真的那组曲线的*.dat文件位置;第2:设置生成频域*.dat文件的存放位置;第3:设置原理图中sin源两端的网络名。最后点击OK,完成频域AC的所有曲线的生成。
图13
从上图中我们能够得到想要的所有环路稳定性的信息,包括相位裕度和增益裕度,如果想要让这两条曲线显示得更加的平滑,可以降低扫描频率的步进。
 
三、 总结
 
FRA模块给开关电源的环路稳定性分析提供了一个更加便捷的方法,无需将开关模型线性化,无需给电源芯片建模,也无需对变压器进行线性化,只需要在环路中插入一个扫描源,就能将整个环路传递函数扫描出来。另外FRA模块可以用于其它的任何需要分析环路稳定性分析的电路中,不只局限于电源。
 
 
 
 

版权所有:上海东好科技有限公司,不得复制或转载
地址:上海市长清路1200弄39号森宏旗臻1205室
咨询热线:021-54265138
电子邮箱:info@eastwell.com.cn
2016543613881