低邊驅(qū)動(dòng)buck 變換器saber 仿真設(shè)計(jì)

榮喃喃，王冉冉，郭鵬軍，劉莫塵，李玉道

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018）

0 引 言

SaberTM軟件具有強(qiáng)大的仿真能力，廣泛運(yùn)用于電力、控制、機(jī)械、水力等領(lǐng)域的項(xiàng)目開發(fā)。SaberTM軟件多達(dá)一萬個(gè)器件模型，是最大和最精確的模型庫[1]。Saber-Designer 主要利用SaberTM的三個(gè)工具Saber-Sketch、Saber-Guide、Saber-Scope，器件原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，仿真界面和更新參數(shù)，分析和計(jì)算波形。確定電路系統(tǒng)中影響性能的核心器件，輔助計(jì)算功率管的應(yīng)力、功耗和溫度，獲取設(shè)計(jì)元件的電壓和功耗數(shù)據(jù)，檢測磁性元器件的工作狀態(tài)，糾正設(shè)計(jì)器件可能存在的故障與失效模式，減小各種因素變化對系統(tǒng)性能的影響，完成電路設(shè)計(jì)和預(yù)調(diào)試工作[2]。

低邊驅(qū)動(dòng)buck 變換器的控制電路不承受高壓，且不必自舉驅(qū)動(dòng)，對驅(qū)動(dòng)IC 的要求較低，功率損耗低，應(yīng)用范圍很廣。本文基于仿真設(shè)計(jì)方法，以直流48V-72V 輸入和12V 輸出為例，設(shè)計(jì)的低邊驅(qū)動(dòng)buck 變換器不僅可以完成隔離輸出，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定。

1 低邊驅(qū)動(dòng)BUCK 變換器的電路設(shè)計(jì)

基于UC3843 設(shè)計(jì)的低邊驅(qū)動(dòng)buck 變換器的電路圖如圖1 所示。下面以圖1 進(jìn)行分析。

圖1 buck 電路

1.1 電路關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

雖然一般來說C 值取得較大，以濾去輸出電壓中的高次諧波，但是仍然存在紋波。因此，依據(jù)上面公式計(jì)算的結(jié)果可作為參考值，在后期進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)整。在saber 預(yù)調(diào)試過程中，其它電路元器件參數(shù)可隨時(shí)根據(jù)各端口的波形圖進(jìn)行修正，以確定理想的參數(shù)。

1.2 控制芯片選型

采用TI 公司的UC3843 作為主控制芯片。采用峰值電流控制模式，在電壓單環(huán)控制基礎(chǔ)上，引入電流內(nèi)環(huán)控制，使其具有良好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。通過固有的脈沖電流控制，簡化過載和實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。這能夠消除輸出濾波電感的缺點(diǎn)[5]。

1.3 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)

采用光耦PC817 和TL431 組成的典型反饋網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電壓反饋，經(jīng)過兩電阻分壓和TL431誤差放大，以及經(jīng)過PC817 信號(hào)隔離，直接進(jìn)入芯片內(nèi)部誤差放大器的輸出端（腳1），而不是輸入端（腳2）。不使用UC3843 內(nèi)部的誤差放大器，使得反饋信號(hào)傳輸時(shí)間縮短，電路具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[6]。

1.4 MOSFET 選型和建模

選擇MOSFET-FDP036N10A，它的漏極電流為214A， 靜態(tài)導(dǎo)通電阻為3.2 mΩ。MOSFETFDP036N10A 具有N 溝道，采用飛兆先進(jìn)半導(dǎo)體PowerTrench 工藝生產(chǎn)，最大限度地降低了通態(tài)電阻，具有卓越的開關(guān)性能和高電流處理能力。

模型精度越高，計(jì)算量越小，越有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路的驗(yàn)證。為提高電路仿真的精密性和貼合實(shí)際，利用saber 建模工具的model-Architect 進(jìn)行MOSFET 的建模，從而優(yōu)化仿真速度和精度。該建模工具為生成一級(jí)MOSFET 模型電路提供了支持，適合分析在電壓變換器中的MOSFET的切換瞬變狀態(tài)和功率損耗。該工具使用錨點(diǎn)進(jìn)交互式優(yōu)化參數(shù)，通過優(yōu)化程序，幫助模型匹配實(shí)際需要的直流特性。選取datesheet 參數(shù)或曲線進(jìn)行擬合[7]。

圖2 是model-Architect 中的MOSFET 模 型。首先，選擇內(nèi)部模型或生成MOSFET 模型，設(shè)置雜散電感等其它參數(shù)。其次，依次導(dǎo)入直流特性、電容特性、熱特性、體二極管特性，結(jié)果如圖3 所示。導(dǎo)入過程包括捕獲每個(gè)特性曲線和參數(shù)數(shù)據(jù)表、使用掃描數(shù)據(jù)工具導(dǎo)入所需的曲線并進(jìn)行鑒定，獲得最佳手動(dòng)錨點(diǎn)位置或使用曲線優(yōu)化器三個(gè)環(huán)節(jié)。最后，驗(yàn)證模型，獨(dú)立比較性能曲線，檢驗(yàn)曲線是否匹配數(shù)據(jù)。

圖2 MOSFET 模型

圖3 DC 特性分析（Id surface）

如果不匹配，則再次進(jìn)行仿真開通和關(guān)斷，驗(yàn)證開關(guān)特性[7]。如圖4 和圖5 分別為驗(yàn)證開關(guān)特性和建立的最終模型。

圖4 開關(guān)特性驗(yàn)證

圖5 器件模型

2 低邊驅(qū)動(dòng)BUCK 電路仿真

2.1 最低輸入電壓和最大負(fù)載

設(shè)置V1=Vin=Vinmin=48V，負(fù)載R5=122/60=2.40Ω。圖6 為PWM 和VDS 波形圖，圖中從上到下依次為功率管的驅(qū)動(dòng)PWM 波信號(hào)、Q-Vds 信號(hào)。

從圖6 可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足buck 下管驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)要求， 功率管驅(qū)動(dòng)最高幅值為13.518V，開關(guān)頻率f=51.928 kHz，其所承受的最大峰值電壓為電源電壓。最大占空比與設(shè)計(jì)的大體一致，為0.25。

圖6 PWM 和VDS 波形

圖7（a）為電感電流和輸出電壓波形圖，圖7（b）為放大的電感電流和輸出電壓波形。給出輸出電壓和輸出電感電流信號(hào)，輸出電壓無過沖，上升平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，23 ms 即達(dá)到穩(wěn)態(tài)。輸出電壓為12.022V，紋波在50mV 之內(nèi)，電感電流紋波為0.5A，均滿足設(shè)計(jì)的精度要求。

圖7（a） 電感電流和輸出電壓波形圖

圖7（b） 放大的電感電流和輸出電壓波形

2.2 額定電壓滿負(fù)荷情況

設(shè)置Vin=Vinmax=60 V，負(fù)載2.4Ω，圖8 為仿真輸出波形。在圖8 中，從上到下為功率管的驅(qū)動(dòng)PWM 波信號(hào)、Q-Vds 信號(hào)。從圖8 可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足buck 下管驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)要求，驅(qū)動(dòng)最高幅值為13.592 V，開關(guān)頻率f=51.925 kHz，占空比為0.22271，功率管承受最大峰值為電源電壓60.854 V。

圖8 PWM 和VDS 波形

圖9(a)是電感電流和輸出電壓波形，圖9（b）放大電感電流和輸出電壓波形。給出輸出電壓及輸出電感電流波形，輸出電壓為12.037 V，電壓紋波均在50 mV 以內(nèi)，電流紋波為0.59A，均滿足設(shè)計(jì)精度要求。

圖9（a） 電感電流和輸出電壓波形

圖9（b） 放大的電感電流和輸出電壓波形

2.3 最高工作電壓輕負(fù)載情況

設(shè)置輸入最高工作電壓72 V，負(fù)載為70Ω，測試變換器的輕負(fù)載特性。圖10 為PWM 和VDS波形，圖中從上到下依次為功率管的驅(qū)動(dòng)PWM波信號(hào)、Q-Vds 信號(hào)。圖11 為電感電流和輸出電壓波形。

圖10 PWM 和VDS 波形

圖11 電感電流和輸出電壓波形

從圖10 可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足buck 下管驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)要求時(shí)，功率管驅(qū)動(dòng)最高幅值為13.557V，開關(guān)頻率f=51.922 kHz，承受的最大峰值電壓為電源電壓。最大占空比與設(shè)計(jì)要求基本一致，為0.20。 圖11 給出了輸出電壓及輸出電感電流波形，輸出電壓為12.036 V，電壓紋波均在50 mV 以內(nèi)，電流紋波為0.62A，均滿足設(shè)計(jì)精度要求。

為進(jìn)一步分析高壓輕載變換特性，調(diào)出檢測端的波形如圖12，圖中從上到下依次為為輸出電壓、光耦反饋信號(hào)、UC3843 電流檢測信號(hào)。它的穩(wěn)態(tài)調(diào)整過程僅為5.9ms，且輸出電壓無過沖，輸出平穩(wěn)，基本維持在12V；在光耦反饋動(dòng)態(tài)過程中，隨著時(shí)間的推移，震蕩幅度逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。

圖12 輸出電壓、反饋信號(hào)和電流檢測信號(hào)

3 結(jié) 論

本文以低邊驅(qū)動(dòng)buck 電路設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用saber 仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行器件建模、仿真參數(shù)優(yōu)化等，演示了完整的仿真設(shè)計(jì)流程。通過在線選擇器件、設(shè)置參數(shù)和建立模型，設(shè)計(jì)電路，并運(yùn)行和仿真、評(píng)估，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)容差，分析系統(tǒng)應(yīng)力和實(shí)效模式，這能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低設(shè)計(jì)成本，為產(chǎn)品開發(fā)提供了有效的手段。

[1]Development of a Power Net simulation tool using SABER[J].Institution of Mechanical Engineers,2007(3):1535-1550.

[2] Analyzing Designs Using Saber-Designer[Z].Analogy Inc,1997.

[3]Sanjaya Maniktala,王健強(qiáng).精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第二版)[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[4]張占松,蔡宣三編.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[5]許泰峰,曲偉,司娜.一種基于UC3843 電流模式控制器的高效DC-DC 模塊電源設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù).2010(09):67-70.

[6]黃鷹,李勇,姜學(xué)想.基于的DC-DC 變換器控制環(huán)路仿真研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(01):53-57.

[7]Saber Model Architect Tool User Guide[Z].Analogy Inc,2011.