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1、第二章 DC-DC电路(Buck)的设计与仿真,DC-DC电路(Buck)的设计与仿真,开环设计； 开环仿真（瞬态）、分析与模型细化； 闭环设计与仿真； 闭环仿真； 元件级设计与仿真。,一 Buck电路的开环设计,（1）性能指标； （2）Buck电路的工作原理； （3）Buck电路的开环设计；,（1）性能指标,DC-DC变换器性能指标： 输入电压：36-72 VDC（额定48V） 输出性能： 额定输出电压 Vout 28VDC 输出电流纹波 Vout(p-p) 50mV 额定负载电流 Iout 10A，在负载电流大于2A时，电感电流工作于CCM。 其他性能： 开关频率 100kHz,（2）Bu
2、ck电路的工作原理,电路拓扑,CCM下的电路工作原理,（3）Buck电路的开环设计,主电路参数设计 （1）占空比 （2）滤波电感量滤波电感设计 （3）滤波电容 （4）功率器件,占空比,（1）占空比,滤波电感设计,电感量，2A时（1/5负载），电感电流临界连续。,滤波电容设计,ILfIo充电,ILfIo放电；,Buck电路的设计,开环设计； 开环仿真（瞬态）、分析与模型细化； 闭环基本概念与AC 小信号仿真； 闭环仿真； 元件级仿真。,开环仿真（瞬态）、分析与模型细化,（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化,（1）原理图编辑,（1）原理图编辑,启动Saber Ske
3、tch 打开电路图编辑窗口 创建新设计 打开已有设计 选择和放置电路元件 查找元件 Search Browse 复制元件（含属性） 元器件的移动,（1）原理图编辑,Resistor,Voltage source, constant ideal DC supply,Switch, Power semiconductor,Diode, ideal,Inductor,Capacitor,Logic Clock,Ground, (Saber node 0),（1）原理图编辑,修改元器件属性 理解所选择元器件的属性 定义属性 帮助文件的使用 布线 画线 重新布线 连线与电压节点命名 保存,开环仿真（瞬态
4、）、分析与模型细化,（1）原理图编辑 （2）仿真 （3）仿真结果分析 （4）模型细化,（2）仿真模拟：仿真工具和仿真类型,（2）仿真模拟,DC工作点分析 (DC operating point) DC分析的概念与作用 执行DC分析（主要设置） 查看和评估工作点,（2）仿真模拟,DC工作点分析(DC operating point) DC分析的概念与作用 静态工作点：电子线路中的一些非线性元件（如二极管、三极管），其运行特性取决于偏置点，称为静态工作点。为时域分析和交流小信号分析提供初始值。 t=0时，所有时变参量为0情况下，分析电路的DC偏置点。（如电感为短路，电容为开路等） 作用：求解系统的
5、静态工作点，为其他分析提供计算初始点；提供快速检查。,难以进行直流分析的电路,电容割集（电容和电流源组成的割集）; 电压源与电感串联、电流源与电容串联; 具有不同初值的电感串联 具有不同初值的电容并联;,Analyses Operating Point DC Operating Point :（简略介绍）,仿真器主要参数： Monitor progress ：进度显示控制； 0 执行时间 -1 执行概要和时间 其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等 Sample Point Density; Display After Analysis：自动显示结果。,仿真器主要参数： Endi
6、ng Initial Point File：结束文件； Use Initial Conditions：是否使用初始条件。,（2）仿真模拟,时域分析（transient） 时域分析的概念与作用 瞬态分析用于检验系统的时域特性，此分析通常从静态工作点开始。是功率变换器数值仿真中应用最广泛的分析类型。 瞬态分析对话框,Analysis Time Domain Transient :,Basic End Time：定义瞬态分析结束时间； Time Step：步长； 设计中有关时间常数的1/10； 驱动源最小的上升或下降沿； 正弦驱动源输入周期的1/100。 Start Time：开始时间;,Analy
7、sis Time Domain Transient :,Basic Monitor progress 0 执行时间 -1 执行概要和时间 其他整数 迭代信息、运算法则、截断误差、CPU时间等 DC analysis Plot after analysis,Analysis Time Domain Transient :,Calibration Truncation Error 在分析过程中每次计算结果的舍入精度。这个参数对仿真结果精度影响很大，甚至导致仿真不收敛。参数值越小，仿真精度越高，但参数值过小会降低仿真速度。通常取100u即可。0.1倍改变 Sample point Density,S
8、ample Point Density： 仿真器对电路中的非线性模块做线性化处理时将其分为n个线性段(n值为此参数值的2倍)，n越大，精度越高，但会降低仿真速度，最大可取1k。 DC分析中，有助于找到直流工作点； Transient 分析中，乘以DC分析中的该设置值； 取值越大，曲线越平滑，越逼近真实波形；2倍,开环仿真（瞬态）、分析与模型细化,（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型细化,（3）仿真结果分析,查看仿真波形 图形文件的打开 现有信号的查看 信号的运算 测量分析结果 验证设计是否满足要求 观测各种情形下关键点波形,（3）仿真结果分析,输出电压纹波； 电容电
9、流波形，软启动的概念 电感电流波形（DCM、CCM）； 电感电压波形 开关管电压、电流应力； 二极管电压、电流波形； 电源电流波形； 不同Vin和不同负载的情况； 输出功率波形波形（运算）。,Buck电路的设计,开环设计； 开环仿真（瞬态）、分析与模型细化； 闭环基本概念与AC 小信号仿真； 闭环仿真； 元件级仿真。,开环仿真（瞬态）、分析与模型完善,（1）原理图编辑 （2）仿真模拟 （3）仿真结果分析 （4）模型完善,（4）模型完善,滤波电感串联电阻线路压降；（实际设计） 滤波电容串联电阻 输出电压纹波； 线路寄生参数及其影响 寄生电感； 寄生电容； 半导体器件的寄生参数和实际元器件的选取,
10、I 滤波电感设计,电感量计算； 磁芯选取 电感磁芯材料的选取： 有较大的直流偏磁，磁通摆幅小，相应交流损耗也小，因此可以选择较高的饱和磁密。应选取（铁氧体、铁粉芯、铁铝硅Kool u、MPP、 high flux、非晶等 ）；- 初选磁芯型号： 其中Lf为电感值（H），I为通过电感的直流平均值（A），Bm是磁芯工作磁密（Gs），J是线圈电流密度，通常取35（A/mm2），Kw是窗口的填充系数，Kc为磁芯填充系数。 经计算，查相关手册后可初选出磁芯型号。,（2）滤波电感设计,计算匝数和气隙 最大磁通摆幅： 计算匝数和气隙 计算导体尺寸 线圈电流密度通常取35（A/mm2）。 校核： Bm、窗口、
11、损耗(铜耗，铁耗查曲线),II 滤波电容设计（电解）,IfIo充电,IfIo放电；,电解电容的ESR、ESL,电容等效电路：C，ESR，ESL和RS,ESR：引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与温度和频率有关。一般ESR与其容量的乘积为RESRC508010-6(s) ESL：引线、电容极板结构有关。 RS：泄漏电阻，一般很大,寿命降额：Arrhenius定律，容芯温度减少10 ，寿命增加1倍。 ESR与纹波电流：电解电容的温升是RESRI2引起的。开关电源中输出纹波电压主要是ESR引起的。而I为纹波电流的有效值。,例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为100mV。f=10
12、0kHz .选择电解电容。 解：纹波电流为4A。因为Upp IRESR 46510-6/C ,则需要C 46510-6/0.05=2600F，取2700uF，其ESR约为24.1m；ESR引起的纹波为96.4m 如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为Upp IT/2C 41010-6/(2270010-6）=7.5mV 纹波：,（4）模型细化（完善）,开关管应力计算、选取及实际器件选取； Get part parametric search 二极管应力计算、选取及实际器件选取；,参考资源及介绍,Saber help files D:SynopsysZ-2007.03docwebworks_
13、docssaber Example: Power Converter Design Example；SaberQuickStart；ExamplesUser；SaberUser；SketchUser；HotkeyUser 网络资源 使用方法介绍,小结|3-6|,掌握DC-DC电路参数设计方法； 掌握用SaberSketch输入电路原理图的方法、掌握瞬态仿真的基本参数设置方法、掌握查看波形方法； 借助仿真软件深入理解Buck电路工作原理。 作业： 1：完成单端正激电路设计报告（含所有主电路参数设计，需要查阅相关手册，选取所有元器件） ； ；Password:0307123456,作业内容,1：单端正激电路设计报告（含变压器与电感器的设计）； 主电路设计（变压器、开关管、二极管、滤波电感、滤波电容）； 仿真分析（1，采用理想元器件分析性能指标的满足情况；2，评估所选元器件的合理性；3，理想元器件与实际元器件模型带来的性能指标差异性分析）,单端正激D2D性能指标,DC-DC变换器性能指标： 输入电压：36-72 VDC（额定48V） 输出性能： 额定输出电压 Vout 15VDC 输出电流纹波 Vout(p-p) 30mV 额定负载电流 Iout 2A，在负载电流大于0.2A时，电感电流工作于CCM。 其他性能： 开关频率 100kHz,
