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同步整流BUCK型DC-DC模块TPS54310的平均SPICE模型的建立与应用

发布时间:2017-04-15 15:09:19  来源:大电流电感厂家   查看:

1 引言
自从1978年,R.Keller 首次运用R.D.Middlebrook的理论进行开关电源的SPICE仿真,近30年来,在开关电源的平均SPICE模型的建模方面,许多学者都建立了自己的模型理论,从而形成了各种SPICE模型。这些模型各有所长,比较有代塑封电感表性的有:Dr. Sam Ben-Yaakov的开关电感模型;Dr. Ray Ridley的模型;基于 Dr. Vatche Vorperian的Orcad9.1的开关电源平均Pspice模型;基于Steven Sandler的ICAP4的开关电源平均Isspice模型;基于Dr. Vincent G. Bello的Cadence的开关电源平均模型等等。本文将在Dr. Sam Ben-Yaakov开关电感模型概念的基础上,结合共模电感TI公司的DC-DC变换器IC TPS54310的主要参数进行平均SPICE宏模型的构建,并对利用所建模型构成的DC-DC变换器电路在Intusoft公司的ICAP4软件平台上进行直流分析、小信号分析以及闭环大信号瞬态分析。

2 TPS54310的平均SPICE模型的建立
TPS54310是美国TI公司推出的集成功率MOSFET的直流/直流变换器IC系列SWIFT的新成员,3V 至 6V输入,0.9V 到 3.3V可调输出,连续额定电流达3A。TPS54310集成了构成同步整流BUCK型DC-DC模块所有需要的有源器件, 内部电路框图见(图1)。


(图1)TPS54310内部电路框图

主电路模型的构建
主电路模型包括开关电感SIM模型、占空比发生器DCG大电流电感以及损耗发生器模型三部分。

1. 开关电感SIM模型
仔细研究经典PWM开关转换器的电路拓扑(buck,boost,buck-boost),可以发现它们均包含一个非线性模块,即用来储能的可电感器生产开关的电感,见(图2)。因为变换器的系统带宽要小于开关频率,因此可以把这个非线性模块作平均处理,然后用与SPICE兼容的等效电路代替,就可以得到PWM开关转换器的平均SPICE模型。这个低频的或者平均的等效电路见(图3),用SPICE中的非线性独立源构成。EL代表储能电感L两端的平均电压。

(1)

流过开关电感各端口的平均电流如下:

(2a) IL代表流过储能电感L的平均电流


(图3)开关电感模型


(图2)开关电感

(1) 式和(2a)~ (2c)式的关系适用于CCM连续电感电流和DCM不连续电感电流两种工作模式。

2. 占空比发生器DCG
TPS54310内部采用电压模式的脉宽调制器,PWM比较器把误差放大器输出的控制电压与振荡器产生的锯齿波电压进行比较以产生所需的接通占空比DON,如(图4)所示。查TPS54310数据手册中的关键特性参数表可得, VL=0.75V,VH=1.75V,所以


(图4)


(图5)

对应(3)式的等效模型见(图5),X1是增益为1的增益宏模型,可从ICAP4的模型库里直接调用。断开占空比DOFF的产生比较复杂,分为下面两种情况:

DCM模式

CCM模式

对应(4)式和(5)式的等效模型见(图6)。其中,非线性独立电压源EDOFF对应(4)式


(图6)

中的DOFF, EMAX对应(5)式中的DOFF 。在DCM模式下,DOFF < 1-DON,因此理想二极管D2截止,则

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