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开环特性仿真分析及优化

时间：2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】：以上是基于Buck变换器，利用所建的开关平均模型的PSpice子电路模型CCM1，讨论变换器的开环特性，将仿真结果与小信号等效模型的结果相比较发现，对应的特性相差无几，这表明在OrCAD Capture的元器件库中建立的平均开关模型CCM1具有正确性和实用性。同时也表明，若想获得开关变换器的开环特性，既可通过PSpice子电路模型CCM1由OrCAD/PSpice软件仿真获得，也可通过交流小信号等效模型由Mathcad仿真软件获得。

开环特性仿真分析及优化

这里介绍直接调用在用户库中已建立的CCM1平均开关网络的PSpice子电路模型，用OrCAD/PSpice10.0软件对开关变换器进行仿真，研究其开环特性。

开关变换器选用Buck电路为研究对象，拓扑结构如图4-43所示，主要参数：输入电压Uin=16V，输出电压U=5.1V，电感L=42.5μH，电容C=600μF，开关频率fs=50kHz，负载R=1Ω。

1.输入阻抗频率特性Zin

定义输入阻抗：Zin=Uin/Iin。

启动OrCAD Capture，从Capture元器件库中调用CCM1、L1、C1、R1、V3等器件，在电路图编辑窗口Page editor中绘制如图4-44所示的仿真电路图。

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图4-43 Buck变换器输入阻抗仿真原理图

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图4-44 Buck变换器输入阻抗仿真电路图

如图4-44所示，直流输入电压源V1上叠加了以幅值为10mV的低频交流扰动电压源V3，开关占空比是由晶体管的门极信号控制电源V2控制，D=0.319，则控制电源V2=0.319V。

由Buck变换器输入阻抗仿真电路图可见，仿真输入阻抗表达式为

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式中，I（V3）为由电压源V3决定的电流。CCM1子电路模型端子1中流过的电流有直流分量和交流分量，这里应只取用交流分量，进行交流小信号分析。根据公式（4-32），仿真可得到图4-45所示的输入阻抗的频率特性。

由本书第1章所推导的交流小信号等效模型可得输入阻抗传递函数为

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令s=jω，代入式（4-33），用Mathcad软件仿真，得到如图4-46所示的仿真特性。比较图4-45和图4-46特性，结果完全一致，证明了所建立的开关平均模型的正确性，它也是状态平均模型的一种。

2.输出阻抗频率特性Zout

定义输出阻抗：Zout=U/I。

启动OrCAD Capture，从Capture元器件库中调用CCM1、L1、C1、C2、R1、V1、V2、V3等器件，在电路图编辑窗口Page editor中绘制如图4-47所示的Buck变换器输出阻抗仿真电路图。

由Buck变换器输出阻抗仿真电路图可见，仿真输出阻抗表达式为

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图4-45 OrCAD/PSpice软件仿真的Buck变换器输入阻抗频率特性曲线

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图4-46 Mathcad软件仿真的Buck变换器输入阻抗频率特性曲线

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图4-47 Buck变换器输出阻抗仿真电路图

式中，I（V3）为流过电压源V3的电流。根据公式（4-34），仿真可得到图4-48所示的输出阻抗的频率特性。

由交流小信号等效模型中得到的输出阻抗传递函数为

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令s=jω，代入式（4-35），用Mathcad软件仿真，得到图4-49所示的仿真特性，比较图4-48和图4-49特性，结果完全一致。

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图4-48 OrCAD/PSpice软件仿真的Buck变换器输出阻抗频率特性(www.daowen.com)

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图4-49 Mathcad软件仿真的Buck变换器输出阻抗频率特性曲线

3.音频衰减率Gug

启动OrCAD Capture，从Capture元器件库中调用CCM1、L1、C1、R1、V1、V3等器件，在电路图编辑窗口Page editor中绘制如图4-50所示的Buck变换器音频衰减率仿真电路图。图中，直流输入电压源V1上叠加了以幅值为10mV的低频交流扰动电压源V3。

由仿真电路图可见，音频衰减率的仿真式为

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通过仿真可得到如图4-51所示的音频衰减率的仿真曲线。

同理，由交流小信号等效模型中得到音频衰减率的表达式为

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图4-50 Buck变换器音频衰减率仿真电路图

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图4-51 OrCAD/PSpice软件仿真的Buck变换器音频衰减率曲线

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基于式（4-37），用Mathcad软件仿真，可得到如图4-52所示的仿真特性，比较图4-51和图4-52特性，结果完全一致。

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图4-52 Mathcad软件仿真的Buck变换器音频衰减率曲线

4.控制-输出传递函数Gud

启动OrCAD Capture，从Capture元器件库中调用CCM1、L1、C1、R1、V1、V2、V3等器件，在电路图编辑窗口Page editor中绘制如图4-53所示的Buck变换器控制-输出传递函数仿真电路图。图中，在直流电压源V2上叠加了以幅值为10mV的低频交流扰动电压源V3。

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图4-53 Buck变换器控制-输出传递函数仿真电路图

由仿真电路图可见，控制-输出传递函数的仿真式为

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通过仿真可得到如图4-54所示的音频衰减率的仿真曲线。

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图4-54 OrCAD/PSpice软件仿真的Buck变换器控制-输出传递函数频率特性曲线

同理，由交流小信号等效模型中得到控制-输出传递函数表达式为

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基于式（4-39），用Mathcad软件仿真，可得到如图4-55所示的仿真特性，比较图4-54和图4-55的特性，结果完全一致。

以上是基于Buck变换器，利用所建的开关平均模型的PSpice子电路模型CCM1，讨论变换器的开环特性，将仿真结果与小信号等效模型的结果相比较发现，对应的特性相差无几，这表明在OrCAD Capture的元器件库中建立的平均开关模型CCM1具有正确性和实用性。同时也表明，若想获得开关变换器的开环特性，既可通过PSpice子电路模型CCM1由OrCAD/PSpice软件仿真获得，也可通过交流小信号等效模型由Mathcad仿真软件获得。

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图4-55 Mathcad软件仿真的Buck变换器控制-输出传递函数频率特性曲线

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