标签: 仿真和验证

非常荣欣参加了这次《混合式数字与全数字电源控制实战》试读体验活动，同时非常感谢面包板论坛举办此活动。本书印刷还是非常新颖，具有精美漫画。下图为图书正面。 本书专注于补偿控制器理论与计算并实现完整控制环路设计过程，并且书中处处藏有设计小技巧或经验，可让读者避开一些坑洞，顺利开发电源。本书以Buck转换器为主要论述基础，因为Buck尤其适合作为人门架构，已被广泛使用与延伸，包含半桥、全桥、推挽式等;其补偿控制器原理皆相同，DC/ACInverter亦为Buck延伸架构。 另外本书介绍电源设计、仿真、验证等软件工具使用，图文并茂，详实细致，本人根据书中内容，完成了一个单极点仿真试验。过程如下： 本书使用Microchip®提供的免费仿真工具软件：MPLAB® MindiTM AnalogSimulator。 该软件随时可能更新，因此界面或功能可能有所不同，请以网络当前版本为主(本人当前版本为Rev.9.10)。 1、MPLAB® MindiTM AnalogSimulator简介 “MPLAB® MindiTM AnalogSimulator”以下简称Mindi，是MPLAB®提供的一套免费仿真工具软件，专门用来做模拟相关的仿真工作。 Mindi其核心其实是来自于SIMetrix MPLAB TechnologiesLtd公司所开发的SIMPLIS。 SIMPLIS/SIMetrix是一组易于使用、指令周期快的混合信号电路仿真软件，软件功能强大，精度高，在开关电源系统设计中可提高10~50倍的仿真速度。 Mindi则是免费的软件，所以Mindi在使用上，会存在一些限制，至于实际限制条件，请以Microchip官网发布为主。本书以实务理论与基础操作为目标，若需要非常详细的软件介绍与使用，需至Microchip查询使用手册。Mindi做分段线性化，所以收敛很快，仿真速度也快。 图 1 Mindi版权声明 Mindi下载网址最新版本: https://www.microchip.com/mplab/mplab-mindi 安装完后，应该是迫不及待地开始想试试吧？首先应该会看到类似下图的Mindi界面，相当的简洁。接下来就让我们进入仿真的世界啰！ 图 2 Mindi界面 2、基础实验:单一极点实验与其波特图测量 单一极零点实验虽然很基础，但还是建议读者遇到第一次使用的仿真软件时，都应该先做单一极零点实验，主要原因是单一极零点实验的结果是已知的，才能快速得知仿真技巧是否正确，并且单一极零点实验若能成功，进化到更多极零点是不是更合理呢？ 下图是一个单一极点的OPA线路，基础分析非常简单，首先OPA负端“-”到 VIN 的阻抗 ZS 等于 RS ，其中假设 VIN 的输出阻抗为0。 图 3单一极点OPA线路 而OPA负端“-”到VOut的阻抗ZF为： 即，此OPA线路的传递函数HPOLE(s)： 其中： 此OPA线路的直流增益为 GP ，并且极点频率为 fP 。在接下来的实验前，读者是否已经可以预期实验结果应该是怎样子呢？ 可以预期波特图的低频直流增益会是 GP ，然后频率于 fP 开始以每10倍频衰减20dB的斜率往下衰减， fP 频率的增益为-3dB。相位图也能预期，低于( fP /10)的频段，相位为0。相位由( fP /10)频率点开始落后，以每10倍频落后45°的斜率递减，直到 fP 刚好是减少45°，于( fP x10)频率点落后达-90°，而后的相位维持-90°。 假设: Vref=0V RS = 1.5kΩ RF = 15kΩ C = 47nF fP = 1/2πRF C= 1/ = 225.8Hz ≈ 226Hz 准备好参数，接下来是时候使用Mindi来验证理论基础，顺便练习一下Mindi这个强大的免费工具吧！ 3、仿真电路绘制 请于Mindi菜单中依序选择 SIMPLISSchematic，如下图所示。 图 4建立SIMPLIS新电路 ParameterisedOpamp，如下图所示。 图 5加入一个典型OPA 并找个好位置后，单击鼠标左键即可摆放OPA于想要的位置上，如下图所示。 图 6 摆放OPA 按下快捷键回R、此时鼠标标会变成一颗电阻的外形，在适当位置点击鼠标左键即可摆放此颗电阻，接着重复同一动作，摆放两颗电阻如下图所示。 图 7 摆放电阻 若需要旋转元件的话，于摆放前后都可以用快捷键F5，每按一次，被选取的元件会旋转90°。 使用鼠标左键于R1上连续单击两次后，会出下列对话窗口，如下图所示。 图 8 电阻的对话窗口 将R1的Result改为1.5k，同时于R2重复此步骤，并将R2的Result改为15k，得更新画面如下图所示。 图 9 电阻值修改 接下来摆放电容，按下快捷键回C，此时鼠标光标会变成一颗电容的外形，在适当位置单击鼠标左键即可摆放此颗电容，并同上面步骤，于电容C上连续单击两次后，会出电容对话窗口，将电容值改为47nF。 图上中的x1，“+”在上，“-”在下。由于要绘制的是负反馈OPA线路，因此图中的x1 OPA需要上下翻转，方便接线。可点选一下x1，而后单击组合快捷键Shift+F6，即可将x1上下翻转。 接着将鼠标移到元件的端点处，鼠标光标会变成一支画笔的外形，此时单击左键即能开始连接各端点，进行接线，按下Esc键可以结束当前的连接动作。 完成接线如图2.2.7所示。 图 10 OPA+RC接线图 若需要镜像翻转的话，可记住以下两个快捷键方式: F6：左右(水平)翻转。 Shift+F6：上下(垂直)翻转。 OPA需要供电，所以接下来的步骤是供应±12V给OPA。 快捷键V能快速调出标准直流电源，在适当位置单击鼠标左键即可摆放此直流电源，并于此直流电源上连续单击两次后，会出现对话窗口，将电压值改为+12V。 重复上述步骤，一共摆放两个+12V的直流电源，将其串联起来，中间接点为地，相对两端的电压就是我们需要的±12V。使用快捷键G调用出接地符号，接到两电源的中间接点。再用快捷键Y调用出节点符号两次，建立+12V与-12V两个节点，分别于此两节点上连续单击两次后，会调出相对应的对话窗口，将接点名称改为12V,与12V，并接成下图所示。 图 11双极性电源 此12VP与12Vn两节点便是OPA的电源，因此再次用快捷键Y调用出节点符号两次，一个接到OPA电源正端，一个接到OPA电源负端。 其中OPA电源正端上的节点改成12Vp(通过相对应的对话窗口)，OPA电源负端上的节点改成12Vn(通过相对应的对话窗口)。 至此OPA的输入几乎都已经接好，除了输入“+”接点还没接线，这一接点需接VREF，此例子为低通滤波器，相对VREF是对地，所以使用快捷键G调用出接地符号，接到输入“+”端点接点。参考下图，目前已经完成一个完整的单极点线路。 图 12 单极点线路 4、设置波特图测量 有了线路，接下来就可以开始于R1上，输入一变频正弦信号Vin，频率从低频至高频，然后于OPA输出上量得Vout，还记得传递函数HPOLE(s)？ 是的，HPOLE(s) = Vout/Vin。 波特图测量便是连续于系统中注入Vin，然后量得Vout，而后连续计算两信号的增益比例与相位差异，并绘制成图，即为波特图，即为相应两测量点，于不同频率下的增益比例与相位差异曲线图。 所以接下来需要加入测量波特图所需要的Vin，以及波特图测量器。菜单中，依序选择: ACSource(forACanalysis)，参考下图。即可找到交流电源元件，其“+”端请接到R1左侧，并且其另一端连接至地，可以用快捷键G调用出接地符号。 图 13 选择ACSource 接着摆放波德图测量器，菜单中，依序选择： BodePlotProbe-Basic，参考下图。 图 14 选择波特图测量器 即可找到波特图测量器，其“IN”端请接到R1左侧，并且其“OUT”端连接至OPA输出，以上标准的接线已完成，如下图所示。 图 15 单极点线路与波特图测量 目前为止。万事俱备只欠东风，东风是什么呢？就是仿真系统最重要的关键：仿真条件设定，否则计算机怎么知道要仿真什么？ 波特图测量会需要一个POP触发器，在此之前，需要一个波形来源给POP触发器。 使用快捷键W调用出波形产生器，找一适当位置摆放后，正端不接，负端则再使用快捷键G调用出接地符号，接到地，如下图所示。 图 16 波形产生器 于波形产生器V4上连续单击两次后，会调出波形产生器对话窗口，将部分参数修改如下图所示。 图 17 波形产生器参数 POPTrigger，参考下图。 图 18 选择POPTrigger 并将POPTrigger与波形产生器的“+”端连接在一起，如下图所示。 图 19 POPTrigger 完整仿真线路如下图所示。 图 20 完整单极点仿真线路 接着可以开始设定仿真条件了，菜单中，依序选择： ChooseAnalysis...，或者使用快捷键F8，参考下图。 图 21 选择分析器 依序下面2张参考图，设定PeriodicOperating Point与AC参数请使用相同设定，方便比对结果。 图 22 PeriodicOperatingPoint参数 图 23 AC参数 5、仿真结果与分析 为了比对分析方便，请单击两次波特图测量器，于对话窗口中,修改坐标刻度，如下图所示。 图 24 波特图测量器坐标刻度设定 完成仿真设定后，按下RunSchematic，或者快捷键F9，即可以看到仿真结果，如下图所示。 图 25单极点波特图测量模拟结果 回顾一下预期的结果应该是： fP = 1/2πRF C= 1/ = 225.8Hz ≈ 226Hz Gp(dB)=20log10(RF/RS) = 20log10(10) = 20dB 观察一下图： fP 约226Hz(减少3dB处); ( fP /10)处，相位开始落后; fP 处，相位落后了45°; ( fP x10)处,相位落后90°; 增益曲线过了 fP 后开始衰减，斜率是每10倍频衰减20dB; Gp(dB)约20dB。 聪明如你，是不是发现了一个很诡异的问题，不是说好从0°开始落后，直到停在-90°?但仿真结果图，怎么看，都是180°开始落后，最后停在90°?为何整整差了180°呢? 这是因为VREF接在OPA正端上，RC线路接在OPA负端与输出上，称之为负反馈系统。换言之，反馈信号相对控制系统角度而言，都是从负端回来，因此都需要减180°，而我们仿真的方式，是直接测量反馈信号与电源输出的关系，所以相对差180°。 因此测量结果是正确的，只是相对于不同的角度而已。 观察波特图的相位图时，其刻度是相对的相位，并非绝对的。必须注意是不是负反馈系统，若测量的是负反馈系统，就必须确认是不是需要减180°，也就是说，负反馈系统测量到0°，其实是-180°。别误以为轻松设计了一个P.M.很足够的电源转换器，但其实早已经不稳定了。 6、总结 本书专注于实战，以开关电源基础理论与数字控制概论为基础，提供大量仿真与验证、混合式数字电源设计、全数字电源设计及延伸应用。本书非常适合设计电源的电子工程技术人员阅读参考。