電源系統(tǒng)電路，例如用于開(kāi)關(guān)電源或電機(jī)控制系統(tǒng)的電路，可分為兩部分：通過(guò)電源開(kāi)關(guān)裝置開(kāi)/關(guān)電流或電壓的電路，以及帶有集成電路和其他部件的控制電路。當(dāng)利用SPICE等電路模擬器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，需要將所有控制設(shè)備渲染為電氣元件，從而使電路變得復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)電路需要浪費(fèi)大量的時(shí)間，而不是用在設(shè)計(jì)的早期階段驗(yàn)證需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)。元素?cái)?shù)量的增加可能會(huì)增加電路計(jì)算收斂錯(cuò)誤的概率，并需要大量的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算，甚至更可能因?yàn)殡娐酚?jì)算無(wú)法收斂，導(dǎo)致仿真無(wú)法進(jìn)行。

另一方面，使用MATLAB/Simulink系統(tǒng)模擬器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以更容易地用數(shù)學(xué)方法表達(dá)控制算法，但如果沒(méi)有器件庫(kù)，就很難準(zhǔn)確地表達(dá)電氣特性，例如開(kāi)關(guān)器件的上升/下降沿特性、電感器、變壓器等。

本文介紹了如何通過(guò)PSpice SLPS接口(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SLPS”)分析前向型開(kāi)關(guān)電源電路，該接口可以實(shí)現(xiàn)PSpice電路模擬器和MATLAB/Simulink系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

01基于PSpice的電路設(shè)計(jì)

本示例中使用的正向轉(zhuǎn)換器的示意圖如下所示：

正向轉(zhuǎn)換器原理圖

該電路的條件如下：

額定輸入電壓：130V

輸出電壓：10V

輸出電流：10A

此時(shí)，求接Q1的緩沖電路電容的最優(yōu)值，以使開(kāi)關(guān)功率損耗最小。

下圖為利用PSpice參數(shù)分析函數(shù)，當(dāng)C2值從0.1n變化到1.0n時(shí)，Q1的VCE波形變化情況。

從這個(gè)結(jié)果來(lái)看，0.5nF被認(rèn)為是一個(gè)合適的值，可以在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生更小的功率損耗和更小的VCE值。

下圖為C2設(shè)為0.5nF時(shí)輸出電壓/電流和VCE波形。

使用可變阻抗ZX代替負(fù)載電阻R1，以便Simulink可以通過(guò)Vload指定負(fù)載值.

可變負(fù)載電路

02基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如下分配SLPS塊，并通過(guò)MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)PWM控制器。

整體模型

原理圖應(yīng)用于SLPS塊，并指定輸出電壓（Vout）、輸出電流（Iout）和開(kāi)關(guān)晶體管的功耗（Tr功率耗散）作為輸出。將Vout設(shè)置為PWM控制器的輸入，并將來(lái)自控制器和負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)設(shè)置為SLPS塊的輸入。

PWM控制器

控制器模型中，通過(guò)將PI控制的輸出電壓與參考值進(jìn)行比較，然后與三角波進(jìn)行比較，生成PWM信號(hào)。

結(jié)果

Simulink設(shè)置為以下條件:

Endtime: 1e-3 seconds

Solvertype: Fixedstep

Solver:ode5

Stepsize: 1e-6 seconds

以下顯示了當(dāng)負(fù)載電阻值設(shè)置為1?時(shí)的模擬結(jié)果：

上：輸出電壓；下：輸出電流

上：晶體管功耗；下：開(kāi)關(guān)信號(hào)波形

1.2mS時(shí)負(fù)載電阻從1變?yōu)??

結(jié)果表明，啟動(dòng)后輸出在0.4mS左右開(kāi)始穩(wěn)定，并隨負(fù)載變化而變化。

總結(jié)

在本設(shè)計(jì)實(shí)例中，電路采用PSpice環(huán)境設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用Simulink環(huán)境設(shè)計(jì)。通過(guò)電路表達(dá)元件的電氣特性，包括器件的時(shí)延，以及難以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的特性，然后利用PSpice設(shè)計(jì)了基本電路。應(yīng)用數(shù)學(xué)表達(dá)式中的靈活Simulink模型來(lái)設(shè)計(jì)激活電路的控制器。最后，使用SLPS將兩個(gè)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行考慮電氣特性的整體模擬。

PSpice系統(tǒng)充分利用了各仿真工具的特點(diǎn)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加高效。