如何发现稳压器电路仿真电路设计问题

出处:上海韬放电子 发布于:2021-01-15 16:13:42

  每个新的电子设备都需要某种程度的功率调节。无论新产品是依靠电池,外部电源还是交流电源运行,都需要为新系统设计一种调节策略。这可能涉及多个功率调节电路,通常带有反馈以提供高效功率转换。您可能需要各种支持组件和功能,以帮助您调节功率输出,尤其是在系统以高功率运行时。

  从用于CPU和GPU的VRM到简单的线性DC稳压器的所有内容都需要在布局之前进行一定程度的评估。在创建布局之前,应对稳压器电路执行一些基本仿真。这是在稳压器电路仿真步骤中要注意的内容,以及如何发现电路设计问题。

  稳压器电路拓扑将确定设备的功能并定义组件在系统中的放置位置。每种类型的稳压器电路类型和拓扑结构都有不同的优点和缺点。在开始模拟稳压器电路之前,您需要确定所需的稳压器类型,拓扑以及保持高转换效率的稳定电源所需的任何其他功能。

  稳压器类型

  在电子系统中可以找到两种基本类型的稳压器:

  线性稳压器。这些调节器使用线性电阻元件(例如电位计)或以线性方式工作的非线性元件(例如MOSFET)来提供稳定的电压输出。线性稳压器的常见类型是串联,并联和低压降(LDO)。这些调节器的效率可能在60%至80%之间。

  开关稳压器。这些稳压器使用带有放电电抗元件的开关FET,以根据特定应用的需要对输出电压进行升压(升压转换器)或降压(降压转换器)。这些稳压器提供高效的DC-DC电源转换,效率轻松超过90%。用于GPU或CPU的VRM是开关调节器的一种常见类型。

  尽管这些不同类型的稳压器电路设计提供不同的效率并需要不同的组件,但它们可以一起用于多级稳压器策略中。与单独使用线性稳压器电路时相比,这种类型的布置可以提供更高的效率电源转换,并且允许设计人员为以不同电压运行的多个电路块提供电源。

  线性稳压器与开关稳压器

  线性稳压器  简单的类型是并联稳压器。该稳压器电路使用齐纳二极管在负载的低端和输出的高端之间提供反馈,从而提供稳定的功率输出。尽管在稳压器的高端使用了双极型晶体管或MOSFET来提供稳定的输出,但是串联稳压器是这种情况的变体。晶体管的基极/栅极在反馈环路中连接至齐纳二极管,然后将基极/栅极电流调制为稳定值。

  三种常见的线性电压电路图:(左)并联,(中心)系列和(右)LDO

  开关稳压器设计具有降压,升压或降压-升压拓扑。这些电路的共同主题是使用开关晶体管将输出电压和电流调节到特定水平。这需要为晶体管提供PWM信号以调制输出电流。

  开关稳压器和复杂的线性稳压器通常将反馈回路作为调节策略的一部分。对于LDO,反馈环路由一个硅带隙基准电压源和一个运算放大器(在LDO电路图中称为误差放大器)组成。对于开关稳压器,反馈环路和控制策略可以像控制PWM信号的ADC和MCU一样简单,或者针对更高功率应用的可编程感应放大器一样简单。

  在稳压器电路中,反馈不仅仅提供增益以达到所需的输出功率。如果输出电压和电流开始偏离期望值,则还应控制调节器。大功率开关稳压器的常见策略是使用感测放大器和ADC来量化输出电压。然后,可以将其与已编程的MCU配合使用,以调节PWM信号的占空比,从而调制开关FET。

  在模拟中,除非您使用有源组件,否则通常不需要直接检查反馈回路中发生的情况。此处的关键是检查通过反馈回路的电压/电流是否不超过组件规格。电流检测放大器(在开关稳压器中)或误差放大器(在LDO中)之类的组件将具有    额定值,无法超过。您应该将这些额定值与反馈环路中的仿真电压/电流进行比较,并在设计中应用适当的安全裕度。

  进行这些比较就像使用直流扫描一样简单,并检查输入电压何时在稳压器电路的组件上施加了不可接受的负载。如果没有达到您要使用的  DC电压的    值,则您选择的组件在运行期间可能很安全。

  对于将要使用交流电源运行的更复杂的功率传输和调节系统,可能需要功率因数校正(PFC)电路,尤其是在使用开关调节器时。该附加电路放置在整流器之后,以平滑来自输入的升压交流电。如果流入开关调节器级的电流具有不可接受的高总谐波失真(THD),则根据IEC61000-3标准,您需要在输入上使用PFC电路。


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