利用仿真软件优化DC/DC变换器的设计

利用仿真软件优化DC/DC变换器的设计

江南计算技术研究所张咏梅吴福永

摘要：本文介绍了凌特公司的仿真软件“LTspice/SwitcherCAD III”，并给出了利用该软件优化低压大电流DC/DC设计的实例。
关键词：DC/DC转换器;仿真

引言
---高速的数字芯片需要低压、大电流和快速响应的电源，为了提高效率和改善电源的品质，这类电源往往设计得靠近负载，并采用从比较高的电压(5V或12V)经过降压DC/DC电路，提供1～2V的低压输出，有的还采用了多相DC/DC。
---在低压、大电流的情况下，电容器的串联等效阻抗(ESR)不可忽视。不仅如此，电路板上流过大电流的铜线的欧姆阻抗和电感效应也必须考虑在内。甚至，纳亨(nH)级的电容器等效串联电感(ESL)也必须在仿真模型中体现出来。由于此类DC/DC往往与CPU等负载设计在同一块板上，不便事先作性能评估试验，所以利用仿真手段变得很重要。本文介绍凌特公司的LTspice/ SwitcherCAD III，利用软件可以仿真以凌特公司电源控制芯片为核心的DC/DC变换器，功能比较完善。

LTspice/ SwitcherCAD III仿真软件
---LTspice/SwitcherCAD III是凌特公司第三代开关调节器设计软件，包含一个高性能的SPICE仿真器，可以仿真以该公司的DC/DC控制芯片为核心所构建的DC/DC转换器。该软件还自带一个电路录入模块，可以方便用户编辑软件自带的例子，或者构建自己的开关调节器电路。通过集成的仿真波形显示器可以观察仿真波形，并可以方便地调节时间轴和幅度轴的分辨率。软件自带凌特公司电源控制芯片的数据和众多厂家的无源器件数据，可以直接用来构建仿真电路。用户并不需要对仿真软件本身和器件特性有更多的了解，就可以用鼠标构建仿真电路，得到仿真结果。
---在主界面中，选择file-Demo SMPS Circuits，就打开了自带的演示电路选择对话框，有超过20个电路可供选择。主界面中有30几个快捷键，一目了然。例如，点击二极管符号就可以向电路中添加二极管。光标放在任何器件上点击右键，就打开编辑对话框，有众多带仿真参数的器件可供选择。在电容器的选择界面中，还允许编辑参数，允许用户向列表中添加、更改电容器列表。点击与门模样的快捷键，出现放置各种元件的对话框。电源控制芯片在“PowerProducts”项目中，有凌特公司的近500个电源控制芯片型号可供选择。“剪刀”形状的快捷键可以用来删除电路中任何不想要的元件、导线或者说明文字。

---在主菜单中选Simulate-Edit Simulation Command，可以修改仿真命令。用户可选择6种仿真命令：Transient、AC analysis、DC sweep、Noise、DC Transfer和DC operating point treating，最常用的是Transient。一旦确定了仿真命令，就可以在主菜单中选Simulate-Run开始仿真。
---仿真开始前会弹出告示牌，警告仿真软件将不理会器件的最大电压、电流和最大功率限制，即使出现这种情况，仍然继续运行。不过用户可以观察波形来了解器件的工作应力。如果不希望总是弹出告示牌，可以关闭它。
---接下来出现选择窗口，选择观察的波形所对应的网络，可以同时观察多个波形并在电路界面中随意选择要看的电压或电流波形。也可以通过下面的方法事先确定要观察的波形所对应的网络，在主菜单中选择View-SPICE Netlist，可以看到所有的网络，例如：
---“C16 0 N013 22μ......”
---此行中的文字的含义是：器件C16，引脚1接地(零电位)，引脚2接网络“N013”，电容量22μ......。从电路中可以看出，网络“N013”实际上对应输出电压。

设计实例
---设计目标如下：输入电压为12V，变化范围为10.2～13.8V;输出电压为1.2V，开关纹波小于40mVp-p;最大输出电流为20A，最小电流为0.5A(实际电路中不可能空载);负载突变为5～20A，电压跌落小于120mVp-p，20A到5A时的电压上跳小于120mVp-p。仿真电路见图1。
---在仿真电路中使用了凌特公司的LTC1778为控制器，该控制器通过检测续流MOSFET导通时的电压降，来实现快速限流，无需串联电阻，减小了损耗;MOSFET(图1中的SW)使用飞兆(Fairchild)公司的Si4862DY，耐压16V，导通沟道电阻为3.3mΩ;电感器使用松下(Panasonic)公司的ETQP1R1BFA，规格为1.06μH、4.95mΩ，在22A电流下测量，电感量约为0.99μH。
---为了尽可能准确，还需要考虑大电流通路上的铜线阻抗。假定两个电容器之间的距离是10mm，线宽2.4mm，宽2.4mm、厚70μm、长10mm铜导线的阻抗计算公式如下。

其中，ρ是铜在常温下的电阻率。
---Ci5代表放置在离DC/DC转换器比较远的电容器，其线路等效电感为0.01μH，线路阻抗为10mΩ。
---以下从几个方面着手，通过仿真寻找合适的元件参数，达到设计要求。
---● 确定恰当的工作模式
---首先看电阻负载下轻载(0.5A)启动特性。在非连续模式下(FCB端接INTVcc)，轻载时的纹波达到76mVp-p，稍稍超过40mVp-p的要求，波形见图2。负载电流达到5A以上，才自动进入连续模式。所以，如果负载不是经常处于“待机”状态，不建议使用非连续模式。
---在连续模式下，纹波减小到26mVp-p，波形见图3。
---进一步观察发现，降低Vrng端的分压值(限流值降低)，可以减小启动暂态过程电感中的冲击电流。此冲击电流造成电感趋于饱和，电感量降低，不利于系统的稳定。遗憾的是，本文介绍的仿真软件并不能模拟电感饱和的问题。
---虽然在使用“不饱和”磁芯的电感的情况下，电流上升对电感量的影响比较小，限流值可以适当放宽，但是放宽后还有别的问题，如启动时输出电压的“过冲”更大。
---输出电流达到3.5A以上(负载电阻小于0.34Ω)，自动进入连续模式。仿真表明，输入电压在10.2～13.8V之间变化，对输出特性的影响很小，完全能适应输入电压的变化范围。
---仿真中还发现，LTC1778的“软启动”功能不够完善，改变“RUN/SS”端到地的电容器的容量，软启动时间变化不明显。
---● 合理配置输出平滑电容器
--- 增加输出电容器的容量和选择低ESR的电容器可以减小输出纹波。下面通过仿真来选择合适的电容器，满足设计要求，即输出电流为0.5～20A，开关纹波小于40mVp-p。
---使用AVX公司的型号为TAJE227K010的普通铝电解电容器，容量为220μF，耐压10V，ESR为0.9Ω，4个电容并联，再加一个22μF、ESR为0.9Ω的无极性电容器，仿真结果表明纹波高达175mVp-p，波形如图4所示。
---使用松下公司的低ESR铝电解柱状贴装电容器，型号为UUD1E221MNR1GS，容量为220μF，ESR为0.17Ω，4个电容并联。再加一个22μF、ESR为0.9Ω的无极性电容器，此时纹波为95mVp-p，仍然未达到要求，波形如图5所示。
---将电容器的容量增大到原来的两倍，每个电容器的ESR不变，纹波为70mVp-p，纹波的改善非常有限。
---使用松下公司型号为EEFSL0D121R的超低ESR铝电解电容器，容量为120μF，ESR为0.009Ω，4个电容并联。再加一个TDK公司的22μF、ESR为0.003Ω的无极性电容器，此时的输出纹波为10mVp-p，波形如图6所示。
---可见，输出滤波电容器的容量虽然减小了，但是由于ESR大幅度减小，输出纹波有明显改善。实际上，在每个电容器ESR不变的前提下，电容器的容量从220μF变到62μF，输出纹波的变化很小。更小的输出电容器会导致输出不稳定，纹波不均匀。
---实际的电容器是有等效串联电感的。假定每个输出电容器的等效串联电感是5nH，采用120μF、耐压为2V、ESR为0.009Ω的电容，4个并联时的纹波为15mVp-p，波形如图7所示。
---另一个不容忽视的问题是电容器中的充放电电流必须小于该型号电容器的允许最大纹波电流。三洋、松下、KEMET等公司都推出了低ESR、大纹波电流的专用电容器。
---● 改善动态特性
--- LTspice/ SwitcherCAD III仿真软件允许用户方便地设定动态负载。点击快捷“component”(与门符号)，在弹出的元件选择对话框中选择“load”，放置在负载的位置上，取代原来的电阻负载。点击右键编辑此负载，将其设定为：延迟300μs，从5A上升到20A，保持100μs，上升和下降时间为0.1μs。
---输出电容器为120μ、2V、0.009Ω，4个并联。再加一个TDK公司的22μF，ESR为0.003Ω的无极性电容器，电感量为1.06μH。输出电压随负载电流变化的波形如图8所示。
---负载电流从5A到20A突变，输出电压瞬间跌落约90mV;负载电流从20A到5A突变，输出电压瞬间上跳约230mV，未能满足设计要求。图中显示的负载电流是变化的部分(0～15A)，固定的部分为5A。
---从图中看出，反馈电路实际上反映很快。从负载电流跌落的瞬间开始，电感电流就开始单调跌落，直到输出电压恢复到1.2V。说明在这段时间内，变换器已经停止向负载提供能量，输出电压上跳是电感释放所存储能量所致。在输出电压“突起”的23μs时间内，后9μs中电感电流已经是负值，即电感续流结束，转而从输出电容器中吸收能量。可见，问题的关键在于如何减小电感内的能量，也就是减小电感量，同时增大输出电容的容量。
---输出电容器增大到220μF，4个并联，再加一个22μF、ESR为0.003Ω的电容器，电感量减小到0.58μH。负载电流从5A到20A突变，输出电压瞬间跌落约60mV;负载电流从20A到5A突变，输出电压瞬间上跳约110mV，达到设计要求。输出电压随负载电流变化的波形如图9所示。