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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:

在CCM模式下,DOFF≥1-D薄膜电感ON,理想二极管D2导通,这时,

可以看出,DOFF发生器模型在DC-DC转换器进入CCM模式和DCM模式时是自适应的,在仿真过程中无需人工切换。理想二极管D1的作用是确保DOFF不小于0。

3. 损耗发生器模型
TPS54310 DC-DC转换器的损耗主要有三部分:整流损耗、高频开关损耗和储能电感的平均欧姆损耗。整流损耗模型用一个非线性独立电流源和TPS54310内部的同步整流管模型构成;高频开关损耗模型用一个非线性独立电流源和TPS54310内部的高频开关大功率电感贴片电感器管的导通电阻构成;储能电感的平均欧姆损耗模型用一个非线性独立电流源和TPS54310外接储能电感的欧姆电阻构成。

误差放大器宏模型的构建

误差放大器的电路级模型厂家一般不公布,这里根据TPS54310的数据手册,建立误差放大器的性能模型。由于性能模型采用黑箱模拟,因而降低了模型的复杂度,同时获得了更高的仿真效率。建立TPS54310误差放大器的性能模型需要下面6个主要参数:
1. 直流开环增益:120dB 或1000000 {GAIN}
2. 第一极点:3.75Hz {POLE}
3. 最大输出电压:1.75V {VHIGH}
4. 最小输出电压:0.75 V{VLOW}
5. 最大吸电流:3mA {ISINK}
6. 最大源电流:3mA {ISOURCE}

直流开环增益和第一极点的数据来自TPS54310数据手册中的误差放大器开环频响曲线。

最大输出电压和最小输出电压结合上面的(3)式推出。即当DON=0,误差放大器输出最小控制电压0共模电感.75V;当DON=1,误差放大器输出最大控制电压1.大电流电感75V。最终TPS54310误差放大器的宏模型见(图7),其开环仿真曲线见图(8)。


(图7)TPS54310误差放大器的宏模型


(图8)T电感器用途PS54310误差放大器的开环仿真曲线

同步整流管模型的构建
TPS54310同步整流管模型简化地用具有更小正向电压降的肖特基二极管来模拟。对理想二极管,正向电压降的公式:


(图9)同步整流管模型的I-V仿真特性曲线

一般用增大饱和电流IS的办法建立肖特基二极管的模型。用ICAP4软件包中的模型提取工具 SpiceMod,可以快速地建立同步整流管模型,如下: .MODEL D_SYNC D (IS=3.99M RS=2.8M N=1 CJO=10P VJ=0.75 M=0.333 TT=1.0N)。

(图9)是仿真的同步整流管模型I-V特性曲线。

可以看出,当电流为3A时,正向电压降为0.18V。

这个结果与TPS54310的同步整流管在3A时的压降3*0.059=0.177V是吻合的。

最终建立的TPS54310的平均SPICE模型内部电路见(图10),(图11)是对应的宏模型块的符号,供画仿真电路图时调用。定义的6个管脚除VERR外,都与TPS54310的实际管脚一致。管脚VERR用来在开环交流小信号仿真时插入交流信号源。TPS54310的模型需输入四个参数:开关频率FS,储能电感值L,储能电感的欧姆电阻R工字电感器S,高频开关管的导通电阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE网络文件见附件。


(图11)TPS54310宏模型块符号

3 TPS54310的平均SPICE模型的验证与应用
为了验证模型的正确性,用TI公司提供的专用设计软件SWIFT™ Designer 2.01设计了五种DC-DC变换电路,然后利用前面所建的TPS54310模型,构成同样的DC-DC变换器的仿真电路,在ICAP4软件上进行直流分析和交流小信号分析,比较这两种方法获得的数据,见(表1)。可以看出,二者的差别非常小。因此有理由认为,TPS54310的平均SPICE模型是可信的。


(图10)TPS54310的平均SPICE模型内部电路

表一
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