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世纪电源网2010(深圳)电源技术研讨会Saber仿真在开关电源产品设计中的应用夏军世纪电源网ID:networkpower2010-10-16Saber仿真在开关电源产品设计中的应用近年来，随着计算机技术的发展，仿真技术的应用在电源产品设计中起着越来越重要的作用。saber仿真软件由于其强大的功能，正逐渐成为电路仿真的主流软件，得到越来越多的重视和应用。本文的目的在于从一些简单而实用的电路仿真入手，阐述saber仿真作为辅助分析手段，对电源产品开发的一些指导意义。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用Chapter120W两路输出反激式电路仿真分析Saber仿真在开关电源产品设计中的应用反激式电路由于结构简单，元器件数量少，电压升降范围宽，易于多路输出，成本低廉等优点，在小功率电源场合有非常广泛的应用。在相关的解决方案中，以unitrode公司（已被TI收购）推出的UC3842最具有代表性。虽然近年来以PI公司TOPswitch系列为代表的集成解决方案已经有广泛应用，但出于成本和设计灵活性方面的考虑，IC+MOS的分立方案仍然有广阔的市场。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用TI推出的UCC28C4X系列芯片则针对UC3842做了进一步的优化，并可以PintoPin的兼容，所以在本文中选择UCC28C43来作为仿真电路的主控芯片。电路工作在DCM模式，相关参数设定如下：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用进行简单的计算（计算过程略）：选择800V的MOSFET：mtb4n80e选择变压器匝比为120：10：4选择磁芯为ETD19，原边电感量为1.59mH选择RCD吸收参数为：R=100k，C=10nF满载工作占空比为23%Saber仿真在开关电源产品设计中的应用仿真原理图如下图所示：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用软启动电路如下图所示：起机时，电容两端电压缓慢上升，通过二极管嵌位UC2843的comp端电压，从而控制占空比缓慢展开，完成软启动过程。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用软启动过程如下图所示：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用软启动过程输出电压上升波形：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用R=100k，C=1uF时，软启动过程如下：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用R=100k，C=2.2uF时，软启动过程如下：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用RCD钳位位电路如下图所示：通过RCD钳位电路吸收变压器漏感储能，避免MOSFET漏极电压过高而击穿损坏，RC参数选择对MOSFET电压应力和整机效率有较大影响。假定变压器原边漏感和副边折算到原边的漏感之和为原边励磁电感的2%Saber仿真在开关电源产品设计中的应用MOSFET漏极电压波形和钳位电容电压波形（R=33k,C=2.2nF)：电阻功耗1.6WSaber仿真在开关电源产品设计中的应用MOSFET漏极电压波形和钳位电容电压波形（R=100k,C=10nF)：电阻功耗0.69WSaber仿真在开关电源产品设计中的应用MOSFET漏极电压波形和钳位电容电压波形（R=100k,C=10nF)：漏感增加到原边励磁电感量的3%Saber仿真在开关电源产品设计中的应用MOSFET驱动电压波形和Vds电压波形：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用启动过程中TL431的电压和电流波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用负载动态电压波形在10ms时，15V输出支路的负载从1A变化到0.1ASaber仿真在开关电源产品设计中的应用从输出电压的变化情况可以看出：15V输出电压有较大过冲（15.8V），其后电压波形缓慢回落，差不多需要5ms的时间，输出电压才能调整到15V附近。负载动态响应速度较慢，需要调整反馈补偿电路。5V输出的电压波形有0.3V的跌落，电路的交叉调整率不理想，需要调整变压器的匝比，确保在轻载时，5V输出的电压能够稳定在5V以上。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用负载动态电压波形（更改431补偿电容为47nF，3842COMP端电阻为2k）负载动态调整时间缩小到2ms左右，电压过冲降到15.4VSaber仿真在开关电源产品设计中的应用本文由于写作时间的关系，不再对环路进行详细的计算和仿真。关于环路补偿部分的计算和仿真，请参考本人在21世纪电源网论坛发的文章《环路补偿—计算和仿真》。反激电路在DCM模式下的传递函数在张兴柱博士的公司网站上（)可以找到相关资料。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用Chapter26kW两路交错并联CCMBOOSTPFC电路仿真分析Saber仿真在开关电源产品设计中的应用功率因素校正电路是开关电源领域的一个重要分支和研究方向。提高功率因素对于降低电网投资成本，节约社会资源有着非常重要的意义。在开关电源中采用PFC电路已经成为所有电源厂家的必然选择。近年来，功率因素校正电路的拓扑和控制方式已经有了很多的研究和实用案例，使得我们可以为客户提供更多更好的解决方案。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用在所有的解决方案中，平均电流控制模式的CCMBOOSTPFC电路应用最为成熟，广泛应用于中大功率电源场合。但是，一般单路CCMBOOSTPFC电路在1~3kW的功率范围内可以达到最佳的设计效果。在3kW以上的应用中，单路PFC电路的优化设计将变得困难。在此背景下，交错并联PFC电路引起大家的关注和重视。其每个并联支路的设计思路与单路PFC电路完全相同，因此可以获得体积，布局和热设计的优化设计结果。而两路之间错相180°控制，开关纹波可以相互抵消，因此可以简化输入EMI滤波器的设计。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用TI公司最近推出的交错PFC芯片UCC28070为PFC的交错并联控制提供了完善的模拟解决方案。详细的资料和电路控制原理请参考TI公司UCC28070芯片的datasheet。单路CCMBOOSTPFC的设计思路请参考本人在21世纪电源网论坛发的文章《CCMBOOSTPFC电路设计浅析》。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用简化原理图Saber仿真在开关电源产品设计中的应用做如下设定：计算所需参数和相关数据：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用仿真原理图Saber仿真在开关电源产品设计中的应用输出电压和电感电流波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用交流输入电压和电流波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用驱动波形和电感电流纹波Saber仿真在开关电源产品设计中的应用输入总电流纹波和支路电感电流纹波（90°峰顶处）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用输入总电流纹波和支路电感电流纹波（45°处）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用以上的仿真是建立在两路电感参数完全一致的基础上，如果两路电感参数不一致，情况将会如何？将参数更改为：L1=340uH，L2=300uH，两路电感量相差约11%，进行仿真。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用输入交流电流波形和支路电感电流波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用输入总电流纹波和支路电感电流纹波Saber仿真在开关电源产品设计中的应用Chapter33kWLLC电路仿真分析Saber仿真在开关电源产品设计中的应用LLC拓扑是近十年来研究最为广泛的DC/DC电路拓扑，简单介绍一下其优点：谐振软开关技术可以提升效率。变频控制可以简化EMI滤波器。易于实现高频化，缩小产品体积。对于输出保持时间要求严格的场合，LLC拓扑可以在最佳工作点和输出保持时间之间达到平衡。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用随着研究的深入和产品的应用，LLC拓扑逐渐揭开了神秘的面纱，为众多的电源工程师所熟悉和掌握。本章的目的在于从仿真的角度揭示LLC电路的一些特性，使得大家对于电路原理有更直观的认识。同时以仿真数据和结论来指导和优化产品的设计，提高开发效率，节约开发时间和成本。LLC电路拓扑的原理详见杨波的博士论文《LLCresonantconverter》，此处不再赘述。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用以某个48V通信电源产品的DC/DC电路为例，相关规格如下：输入电压400V（PFC母线电压）输出电压42~58V输出最大功率3kW（48V~58V之间满功率，42~48V之间限流62.5A）LC谐振频率230kHz工作频率范围150kHz~350kHzL=22uH(谐振电感），C=22nF（谐振电容），Lm=100uH（励磁电感），变压器匝比15：2：2Saber仿真在开关电源产品设计中的应用仿真原理图如下所示：Saber仿真在开关电源产品设计中的应用浮充时，输出电压为53.5VSaber仿真在开关电源产品设计中的应用驱动波形和谐振电流波形如下Saber仿真在开关电源产品设计中的应用谐振电容电压波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用充电状态时，最大输出电压为58VSaber仿真在开关电源产品设计中的应用驱动波形和谐振电流波形如下Saber仿真在开关电源产品设计中的应用谐振电容电压波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用充电状态时，满功率输出最低电压为48VSaber仿真在开关电源产品设计中的应用驱动波形和谐振电流波形如下Saber仿真在开关电源产品设计中的应用充电状态时，最低电压为42VSaber仿真在开关电源产品设计中的应用驱动波形和谐振电流波形如下Saber仿真在开关电源产品设计中的应用谐振电容电压波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用从以上仿真可以看出，在所有工作区间，开关频率最低为180kHz（58V满载输出时）。谐振电容的电压最大有效值为366V（58V满载输出时）。谐振电感电流和励磁电感电流均在58V满载输出时达到最大值。以上结论和相关数据，对于磁性器件损耗计算和仿真，谐振电容选型，开关频率参数设定等具有指导性意义。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用对于通信电源来说，很重要的一个指标是输出保持时间。假定PFC母线电容波动变化范围为390V~410V。当PFC母线电容电压在最低点时，如果交流输入断电，此时输出保持时间最短。假定负载为3kW恒功率负载，设置PFC电压为390V，母线电容为470uF*2，在10ms时断开直流输入源，由PFC母线电容供电，仿真输出电压的变化情况。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用仿真原理图Saber仿真在开关电源产品设计中的应用PFC母线电压和输出电压波形Saber仿真在开关电源产品设计中的应用从仿真波形可以看出，输出保持时间为9.47ms（对应输出电压下降到42V）。如果要求大于10ms的输出保持时间，显然本设计不能达标。如何优化？1.增加PFC母线电容2.提高PFC母线电压3.更改最低频率设置（将工作频率下限降低）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用下面再来看一下负载动态的情况。GR947要求：负载从10%-90%-10%负载跳变时，输出电压超调量不能超过整定值的5%，恢复时间不能超过1ms（超调1%以上的时间）。YDT731则要求：负载从25%-50%-25%跳变和50%-75%-50%跳变时，输出电压超调量不应超过输出电压整定值的5%，恢复时间不应超过200uS（超调0.5%以上的时间）。Saber仿真在开关电源产品设计中的应用GR947负载跳变（90%-10%-90%）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用YDT731负载跳变（50%-25%-50%）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用YDT731负载跳变（50%-75%-50%）Saber仿真在开关电源产品设计中的应用从上面的仿真结果可以看出，负载跳变满足GR947和YD731的要求。另外，从负载动态的波形也可以推断出环路稳定性的大致情况。由于输出电压的