同步整流Buck型DC/DC模塊TPS54310的平均SPI

摘要：在Dr.SamBen?Yaakov開關(guān)電感模型概念的基礎(chǔ)上，根據(jù)DC/DC模塊TPS54310的實際工作原理，建立適用于SPICE軟件的狀態(tài)空間平均模型，從而可以方便地對TPS54310進(jìn)行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。模型的準(zhǔn)確性在所建模型的SPICE仿真結(jié)果與TI公司提供的專用設(shè)計軟件SWIFTTMDesigner2.01的設(shè)計結(jié)果的對比中得到證實。關(guān)鍵詞：同步整流；開關(guān)電感模型；平均SPICE模型；仿真；直流分析；小信號分析；閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析BuildandApplicationofAveragedSPICEModelUsingSynchronous RectifierBuckDC/DCModuleTPS54310

HEYa?ningAbstract:BasedontheSwitchedInductorModel(SIM)conceptof Dr.SamBen?YaakovanaveragedSPICEmodeloftheTPS54310isbuiltusingequivalent circuitmethod.SotheDCanalysis,smallsignalanalysisandlargesignalclosed looptransientanalysisoftheTPS54310caneasilybedone.Thevalidityofthe modelisverifiedbycomparisionbetweentheresultsofdesignwiththeoriginal designprogramSWIFTTMDesigner2.01andtheresultsofSPICEsimulationusing themodelbuilt.

Keywords:Synchronousrectifier;SwitchedInductorModel;AveragedSPICEmodel; Simulation;DCanalysis;Smallsignalanalysis;Largesignalclosedlooptransient analysis中圖分類號：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：0219－2713(2002)10－0530－ 06

1引言

自從1978年，R.Keller首次運(yùn)用R.D.Middlebrook的理論進(jìn)行開關(guān)電源的SPICE仿真以來，在開關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了自己的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBen?Yaakov的開關(guān)電感模型；Dr.RayRidley的模型；基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源平均Pspice模型；基于StevenSandler的ICAP4的開關(guān)電源平均Isspice模型；基于 Dr.VincentG.Bello的Cadence的開關(guān)電源平均模型等等。本文將在Dr.SamBen－Yaakov開關(guān)電感模型概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI公司的DC/DC變換器ICTPS54310的主要參數(shù)進(jìn)行平均 SPICE宏模型的構(gòu)建，并對利用所建模型構(gòu)成的DC/DC變換器電路在Intusoft公司的ICAP4軟件平臺上進(jìn)行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。

2TPS54310的平均SPICE模型的建立

TPS54310是美國TI公司推出的集成功率MOSFET的DC/DC變換器IC系列SWIFT的新成員，輸入3V至6V，輸出0.9V到3.3V可調(diào)，連續(xù)額定電流達(dá)3A。TPS54310集成了構(gòu)成同步整流 Buck型DC/DC模塊所有需要的有源器件，內(nèi)部電路框圖見圖1。

2?1主電路模型的構(gòu)建

主電路模型包括開關(guān)電感模型（SIM），占空比發(fā)

圖1TPS54310內(nèi)部電路框圖（原版圖）

圖2開關(guān)電感（原版圖）

生器DCG以及損耗發(fā)生器模型三部分。

2?1?1開關(guān)電感模型（SIM）

仔細(xì)研究經(jīng)典PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)洌˙uck，Boost,Buck?Boost），可以發(fā)現(xiàn)它們均包含一個非線性模塊，即用來儲能的可開關(guān)的電感，見圖2。因為變換器的系統(tǒng)帶寬要小于開關(guān)頻率，因此可以把這個非線性模塊作平均處理，然后用與SPICE兼容的等效電路代替，就可以得到PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的平均SPICE模型。這個低頻的或者平均的等效電路由 SPICE中的非線性獨立源構(gòu)成，見圖3。EL代表儲能電感L兩端的平均電壓，IL代表流過儲能電感L的平均電流，則有

EL=Va－cDON＋Vb－cDOFF（1）

Ic=IL(2a)Ia=IL(2b)Ib=IL(2c)

式（1）和式（2a）～（2c）的關(guān)系適用于CCM連續(xù)電感電流和DCM不連續(xù)電感電流兩種工作模式。

2?1?2占空比發(fā)生器（DCG）

TPS54310內(nèi)部采用電壓模式的脈寬調(diào)制器，PWM比較器把誤差放大器輸出的控制電壓VC與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生所需的接通占空比DON，如圖4所示。查TPS54310數(shù)據(jù)手冊中的關(guān)鍵特性參數(shù)表可得，VL=0.75V，VH=1.75V，所以DON==＊(VC－0.75)

圖3開關(guān)電感模型（原版圖）

圖4占空比發(fā)生器（原版圖）

同步整流Buck型DC/DC模塊TPS54310的平均SPICE模型的建立與應(yīng)用

圖5占空比發(fā)生器等效模型（原版圖）

=1＊(VC－0.75)（3）

對應(yīng)式（3）的等效模型見圖5，X1是增益為1的增益宏模型，可從ICAP4的模型庫里直接調(diào)用。斷開占空比DOFF的產(chǎn)生比較復(fù)雜，分為下面兩種情況。

1）DCM模式DOFF=－DON（4）

式中：fs為開關(guān)頻率。

2）CCM模式

DOFF=1－DON(5)

對應(yīng)式（4）和式（5）的等效模型見圖6。其中，非線性獨立電壓源EDoff對應(yīng)式（4）中的DOFF,EMAX對應(yīng)式（5）中的DOFF。在DCM模式下，DOFF<1－DON，因此理想二極管D2截止，則DOFF=EDoff=－DON

在CCM模式下，DOFF≥1－DON，理想二極管D2導(dǎo)通，這時

DOFF=Emax=1－DON

可以看出，DOFF發(fā)生器模型在DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)入CCM模式和DCM模式時是自適應(yīng)的，在仿真過程中無需人工切換。理想二極管D1的作用是確保DOFF不小于0。

2?1?3損耗發(fā)生器模型

TPS54310DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗主要有三部分，即整流損耗、高頻開關(guān)損耗和儲能電感的平均歐姆損耗。整流損耗模型用一個非線性獨立電流源和TPS54310內(nèi)部的同步整流管模型構(gòu)成；高頻開關(guān)損耗模型用一個非線性獨立電流源和TPS54310內(nèi)部的高頻開關(guān)管的導(dǎo)通電阻構(gòu)成；儲能電感的平均歐姆損耗模型用一個非線性獨立電流源和TPS54310外接儲能電感的歐姆電阻構(gòu)成。

2?2誤差放大器宏模型的構(gòu)建

誤差放大器的電路級模型廠家一般不公布，這里根據(jù)TPS54310的數(shù)據(jù)手冊，建立誤差放大器的性能模型。由于性能模型采用黑箱模擬，因而降低了模型的復(fù)雜度，同時獲得了更高的仿真效率。建立TPS54310誤差放大器的性能模型需要下面6個主要參數(shù)：

1）直流開環(huán)增益120dB或1000000{GAIN}

2）第一極點3.75Hz{POLE}

3）最大輸出電壓1.75V{VHIGH}

4）最小輸出電壓0.75V{VLOW}

5）最大吸收電流3mA{ISINK}

6）最大源電流3mA{ISOURCE}

直流開環(huán)增益和第一極點的數(shù)據(jù)來自TPS54310數(shù)據(jù)手冊中的誤差放大器開環(huán)頻響曲線。 最大輸出電壓和最小輸出電壓結(jié)合上面的式（3）推出。即當(dāng)DON=0，誤差放大器輸出最 小控制電壓0.75V；當(dāng)DON=1，誤差放大器輸出最大控制電壓1.75V。最終TPS54310誤差放 大器的宏模型見圖7，其開環(huán)仿真曲線見圖8。

圖6DOFF的等效模型（原版圖）

圖7TPS54310誤差放大器的宏模型（原版圖）

圖8TPS54310誤差放大器的開環(huán)仿真曲線（原版圖）

＊注：MODELD_SYNCD(IS=3.99MRS=2.8MN=1CJO=10PVJ=0.75M=0.333TT=1.0N)是一個標(biāo)準(zhǔn)的二極管SPICE模型語句，如果不熟悉SPICE的讀者需要了解，可以查閱任何與 SPICE有關(guān)的中英文書籍。

圖9同步整流管模型的I?V仿真特性曲線（原版圖）

圖10TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路（原版圖）

圖11TPS54310宏模型塊符號（原版圖）

2?3同步整流管模型的構(gòu)建

TPS54310同步整流管模型簡化地用具有更小正向電壓降的肖特基二極管來模擬。對理想二極管其正向電壓降V為

V=N＊Vt＊ln(If/IS＋1)（6）

式中：N——發(fā)射系數(shù)；

Vt——熱電壓Vt=KT/q（K——波爾茲曼常

數(shù)，T——溫度（K）,q——電子電荷）；

If——二極管正向電流；

IS——飽和電流。

一般用增大飽和電流IS的辦法建立肖特基二極管的模型。用ICAP4軟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：

MODELD_SYNCD(IS=3.99MRS=2.8MN=1CJO=10PVJ=0.75M=0.333TT=1.0N)。＊

圖9是仿真的同步整流管模型I?V特性曲線?？梢钥闯觯?dāng)電流為3A時，正向電壓降為 0.18V。這個結(jié)果與TPS54310的同步整流管在3A時的壓降3＊0.059=0.177V是吻合的。

最終建立的TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路見圖10。圖11是對應(yīng)的宏模型塊的符號，供畫仿真電路圖時調(diào)用。定義的6個管腳除VERR外，都與TPS54310的實際管腳一致。管腳VERR用來在開環(huán)交流小信號仿真時插入交流信號源。TPS54310的模型需輸入四個參數(shù)：開關(guān)頻率fs，儲能電感值L，儲能電感的歐姆電阻RS，高頻開關(guān)管的導(dǎo)通電阻RON。

3TPS54310的平均SPICE模型的驗證與應(yīng)用

為了驗證模型的正確性，用TI公司提供的專用

表1二種設(shè)計仿真結(jié)果的比較設(shè)計1：Vin=5V,Vout=3.3V,Io=3A,L=10μH,C=100μF設(shè)計2：Vin=5V,Vout=2.5V,Io=3A,L=10μH,C=100μF 設(shè)計3：Vin=5V,Vout=1.8V,Io=2A,L=6.8μH,C=100μF設(shè)計4：Vin=3.3V,Vout=0.9V,Io=1A,L=4.7μH,C=100μF 設(shè)計5：Vin=5V,Vout=3.3V,Io=3A,L=1.2μH,C=180μF
直流輸出/V環(huán)路增益交越頻率/kHz相位裕量/度直流輸出/V環(huán)路增益交越頻率/kHz相位裕量/度直流輸出/V環(huán)路增益交越頻率/kHz相位裕量/度 直流輸出/V環(huán)路增益交越頻率/kHz相位裕量/度直流輸出/V環(huán)路增益交越頻率/kHz相位裕量/度
SWIFTTMDesigner2.01設(shè)計結(jié)果3.28413.4642.50812.9661.80414.2670.913.475 3.28447.878
SPICE仿真結(jié)果3.28413.362.32.50812.963.61.80414.663.70.899913.867.33.284 4973.5

圖12TPS54310演示板直流和交流小信號仿真電路（原版圖）

圖13系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（原版圖）

設(shè)計軟件SWIFTTMDesigner2.01設(shè)計了5種DC/DC變換電路，然后利用前面所建的TPS54310模型，構(gòu)成同樣的DC/DC變換器的仿真電路，在ICAP4軟件上進(jìn)行直流分析和交流小信號分析，這兩種方法獲得的數(shù)據(jù)比較見表1。從表1可以看出，二者的差別非常小。因此有理由認(rèn)為，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。

下面，利用前面所建的TPS54310平均SPICE模型對TI公司提供的演示板電路進(jìn)行全面的 仿真分析。直流和交流小信號分析的仿真電路見圖12，直流工作點標(biāo)注在圖上。得到的 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（幅頻和相頻）見圖13。環(huán)路增益交越頻率為44kHz，過0dB時，相移 為83.1°，證明該電源系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖14是仿真負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動衰減率 的電路圖。注意仿真技巧，C3由圖12的1kF變?yōu)?pF,相當(dāng)于交流開路節(jié)點8和4；同時，L1由 圖12的1GH變?yōu)?pH,相當(dāng)于交流短路節(jié)點8和5，形成閉環(huán)。分段線性源ILoad模擬負(fù)載電 流的瞬間突變（在1μs內(nèi)跳變3A）。圖15是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。在電源輸入端插入1V的 交流電壓源，在節(jié)點9得到如圖16所示的輸入音頻擾動衰減率與頻率的關(guān)系曲線，反映了 系統(tǒng)對小信號正弦波輸入電壓擾動的抑制能力。為了研究系統(tǒng)對負(fù)載擾動的抑制能力， 在輸出端插入1A的交流電流源（仿真電路略），在節(jié)點9可得到閉環(huán)輸出阻抗，見圖17。 至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已對TI公

圖14TPS54310演示板負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動衰減率仿真電路（原版圖）

圖15負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形（原版圖）

圖16輸入音頻擾動衰減率與頻率的關(guān)系曲線（原版圖）

圖17閉環(huán)輸出阻抗與頻率的關(guān)系曲線（原版圖）

司提供的演示板電路進(jìn)行了較全面的動態(tài)指標(biāo)的仿真分析，包括穩(wěn)定性，快速性和抗擾動性，這是TI的設(shè)計軟件SWIFTTMDesigner2.01所不能給出的。

4結(jié)語

建立TPS54310平均SPICE模型的意義在于，只需要廠家公開的電源IC的技術(shù)資料，就能提取具有相當(dāng)準(zhǔn)確度的模型，方便設(shè)計者在制作出實際的電路之前，對電源的性能，特別是動態(tài)性能做出全面的評估，從而指導(dǎo)設(shè)計者對電源進(jìn)行優(yōu)化。而且比起開關(guān)模型來說，占用機(jī)時少，有很高的仿真效率。對比廠家給出的原始設(shè)計軟件，運(yùn)用平均SPICE模型在通用電路分析軟件上仿真更靈活，更強(qiáng)大，應(yīng)該是原始設(shè)計軟件必不可少的補(bǔ)充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流Buck型DC/DC模塊平均SPICE模型的通用電路框架，具有一定的普遍性。稍微調(diào)整幾個模型參數(shù)，就可以建立TI公司整個SWIFT電源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。對其他廠家的電源IC產(chǎn)品，通過適當(dāng)修改也可以方便地建立它們的平均SPICE模型。

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