1、同 步整 流 BUCK型 DC-DC模 块 TPS54310的 平均 SPICE模 型的 建立 与应 用时间： 2009-11-2710:28:54来源： 电源技术应用 作者：何亚宁1引言自从 1978年， R.Keller首次运用 R.D.Middlebrook的理论进 行开关电源的 SPICE仿真，近 30年来，在 开关电源的平 均 SPICE模型的建 模方面，许多 学者都建立了 自己的模型理 论，从而形成了 各种 SPICE模型。这 些模型各有所 长，比较有代 表性的有： Dr.SamBen-Yaakov的开关电感 模型； Dr.RayRidley的模型； 基于 Dr.VatcheVor
2、perian的 Orcad9.1的开关电源平均 Pspice模型；基 于 StevenSandler的 ICAP4的开关电 源平均 Isspice模型；基 于 Dr.VincentG.Bello的 Cadence的开关电 源平均模型等 等。本文将在 Dr.SamBen-Yaakov开关电感模型 概念的基础上 ，结合 TI公司的 DC-DC变换器 ICTPS54310的主要参 数进行平均 SPICE宏模型的 构建，并对利 用所建模型构 成的 DC-DC变换器电 路在 Intusoft公司的 ICAP4软件平台上进行 直流分析、小 信号分析以及 闭环大信号瞬 态分析。2TPS54310的平均 SP
3、ICE模型的 建立TPS54310是美国 TI公司推出 的集成功率 MOSFET的直流 /直流变换 器 IC系列 SWIFT的新成员 ，3V至 6V输入， 0.9V到 3.3V可调输出 ，连续额定电 流达 3A。 TPS54310集成了构 成同步整 流BUCK型 DC-DC模块所有 需要的有源器 件， 内部电路 框图见（图 1）。（图 1） TPS54310内部电路 框图主电路模 型的构建主电路模 型包括开关电 感 SIM模型、占 空比发生器 DCG以及损耗 发生器模型三 部分。1.开关电感 SIM模型仔细研究 经典 PWM开关转换 器的电路拓扑 （ buck， boost,buck-boos
4、t），可以 发现它们均包 含一个非线 性模块，即用 来储能的可开 关的电感，见 （图 2）。因为 变换器的系统 带宽要小于开关频率， 因此可以把这 个非线性模块 作平均处理， 然后用与 SPICE兼容的等 效电路代替， 就可以得到 PWM开关转换 器的平均 SPICE模型。这 个低频的或者 平均的等效电 路见（图 3）， 用SPICE中的非线 性独立源构成 。 EL代表储能 电感 L两端的平 均电压。(1)流过开关 电感各端口的 平均电流如下 ：（ 2a） IL代表流过 储能电感 L的平均电 流（图 3）开关电 感模型（图 2）开关电 感（ 1） 式和（ 2a） （ 2c）式的关 系适用于 C
5、CM连续电感 电流和 DCM不连续电 感电流两种工作模式 。2.占空比发 生器 DCGTPS54310内部采用 电压模式的脉 宽调制器， PWM比较器把 误差放大器输 出的控制电压 与振荡器产生的锯 齿波电压进行 比较以产生所 需的接通占空 比 DON，如（图 4）所示。 查 TPS54310数据手册中的关 键特性参数表 可得， VL=0.75V， VH=1.75V，所以（图 4）（图 5）对应（ 3）式的等 效模型见（图 5）， X1是增益为 1的增益宏 模型，可从 ICAP4的模型库 里直接调用 。断开占空比 DOFF的产生比 较复杂，分为 下面两种情况 ：DCM模式CCM模式对应（ 4）
6、式和（ 5）式的等 效模型见（图 6）。其中 ，非线性独立 电压源 EDOFF对应（ 4）式（图 6）中的 DOFF, EMAX对应（ 5）式中的 DOFF 。在 DCM模式下， DOFF1-DON，因此理 想二极管 D2截止，则在 CCM模式下， DOFF 1-DON，理想二 极管 D2导通，这 时，可以看出 ， DOFF发生器模 型在 DC-DC转换器进 入 CCM模式和 DCM模式时是 自适应的，在 仿真过程中 无需人工切换 。理想二极管 D1的作用是 确保 DOFF不小于 0。3.损耗发生 器模型TPS54310DC-DC转换器的 损耗主要有三 部分：整流损 耗、高频开关 损耗和储能电
7、 感的平均欧姆损 耗。整流损耗 模型用一个非 线性独立电流 源和 TPS54310内部的同 步整流管模型 构成；高频 开关损耗模型 用一个非线性 独立电流源和 TPS54310内部的高 频开关管的导 通电阻构成；储能 电感的平均欧 姆损耗模型用 一个非线性独 立电流源和 TPS54310外接储能 电感的欧姆电阻构成 。误差放大 器宏模型的构 建 误差放大 器的电路级模 型厂家一般不 公布，这里根 据 TPS54310的数据手 册，建立误差 放大器的性 能模型。由于 性能模型采用 黑箱模拟，因 而降低了模型 的复杂度，同 时获得了更高 的 仿真效率 。建立 TPS54310误差放大 器的性能模型
8、 需要下面 6个主要参 数：1.直流开环 增益： 120dB或 1000000GAIN2.第一极点 ： 3.75HzPOLE3.最大输出 电压： 1.75VVHIGH4.最小输出 电压： 0.75VVLOW5.最大吸电 流： 3mAISINK6.最大源电 流： 3mAISOURCE直流开环 增益和第一极 点的数据来自 TPS54310数据手册 中的误差放大 器开环频响曲 线。最大输出 电压和最小输 出电压结合上 面的（ 3）式推出 。即当 DON=0，误差放 大器输出最小控制电压 0.75V；当 DON=1，误差放 大器输出最大 控制电压 1.75V。最终 TPS54310误差放大 器的宏模型
9、见 （图 7），其开 环仿真曲线见 图（ 8）。（图 7） TPS54310误差放大 器的宏模型3TPS54310的平均 SPICE模型的验 证与应用为了验证 模型的正确性 ，用 TI公司提供 的专用设计软 件 SWIFTDesigner2.01设计了五 种DC-DC变换电路 ，然后利用前 面所建的 TPS54310模型，构 成同样的 DC-DC变换器的 仿真电路，在 ICAP4软件上进 行直流分析和 交流小信号分 析，比较这两 种方法获得的 数据，见（ 表1）。可以 看出，二者的 差别非常小。 因此有理由认 为， TPS54310的平均 SPICE模型是可 信的。（图 10） TPS5431
10、0的平均 SPICE模型内部 电路表一（图 12） TPS54310演示板直 流和交流小信 号仿真电路（图 13）（图 15）负载瞬 态响应仿真波 形（图 16）输入音 频扰动衰减率 与频率的关系 曲线（图 14） TPS54310演示板负 载瞬态响应和 输入音频扰动 衰减率仿真电 路下面，利 用前面所建的 TPS54310平均 SPICE模型对 TI公司提供 的演示板电路 进行全面的仿真分析 。直流和交流 小信号分析的 仿真电路见（ 图 12），直流 工作点标注在 图上。得到的 系统的开环 频率特性（幅 频和相频）见 （图 13）。环路 增益交越频率 为 44KHz，过 0dB时，相移为 8
11、3.1度，证明 该电源系统是 稳定的。（图 14）是仿真 负载瞬态响应 和输入音频扰 动衰减率的电路图。 注意仿真技巧 ， C3由（图 12）的 1kF变为 1pF,相当于交 流开路节点 8和 4；同时， L1由（图 12）的 1gH变为 1pH,相当于交 流短路节点 8和 5，形成闭 环。分段线性 源 ILoad模拟负载电流的瞬 间突变（在 1us内跳变 3A）。（图 15）是负载 瞬态响应波形 。在电源输入 端插入 1Vac的交流电 压源，在节点 9得到如（ 图 16）所示的 输入音频扰动 衰减率与频率 的关系曲线， 反映了系统对 小信号正弦波 输入电压扰动 的抑制能力。 为了研究系统 对
12、负载扰动的 抑制能力，在 输 入音频扰 动衰减率与频 率的关系曲线 负载瞬态响应 仿真波形输出 端插入 1Aac的交流电 流源（仿真电 路略），在节 点 9可得到闭 环输出阻抗， 见（图 17）。至此 ，采用所建的 TPS54310平均 SPICE模型已对 TI公司提供 的演示板电路 进行了较全面 的动态指标的 仿真分析，包 括稳定性，快速 性和抗扰动性 ，这是 TI的设计软 件 SWIFTDesigner2.01所不能给 出的。（图 17）闭环输 出阻抗与频率 的关系曲线4.总结建立 TPS54310平均 SPICE模型的意 义在于，只需 要厂家公开的 电源 IC的技术资 料，就能提取具有相
13、当 准确度的模型 ，方便设计者 在制作出实际 的电路之前， 对电源的性能 ，特别是动态 性能做出全 面的评估，从 而指导设计者 对电源进行优 化。而且比起 开关模型来说 ，占用机时少 ， 有很高的 仿真效率。对 比厂家给出的 原始设计软件 ，运用平均 SPICE模型在通 用电路分析软 件上仿真更 灵活，更强大 ，应该是原始 设计软件必不 可少的补充。 TPS54310平均 SPICE模型建立 了同步整流 BUCK型 DC-DC模块平均 SPICE模型的通 用电路框架，具 有一定的普遍 性。稍微调整 几个模型参数 ，就可以建立 TI公司整个 SWIFT电源 IC家族的模型 ，如 TPS54610
14、， TPS54810， TPS54672等等。对 其他厂家的电 源 IC产品，通 过适当修改也可以 方便地建立它 们的平均 SPICE模型。（图 8） TPS54310误差放大 器的开环仿真 曲线同步整流 管模型的构建TPS54310同步整流 管模型简化地 用具有更小正 向电压降的肖 特基二极管来 模拟。对理想 二极管，正向 电压降的公式 ：（图 9）同步整 流管模型的 I-V仿真特性 曲线一般用增 大饱和电流 IS的办法建 立肖特基二极 管的模型。用 ICAP4软件包中 的模型提取工具 SpiceMod，可以快 速地建立同步 整流管模型， 如下： .MODELD_SYNCD(IS=3.99M
15、RS=2.8MN=1CJO=10PVJ=0.75M=0.333TT=1.0N)。（图 9）是仿真 的同步整流管 模型 I-V特性曲线 。可以看出 ，当电流为 3A时，正向 电压降为 0.18V。这个结果 与 TPS54310的同步整 流管在 3A时的压降 3*0.059=0.177V是吻合的 。最终建立 的 TPS54310的平均 SPICE模型内部 电路见（图 10），（图 11）是对应 的宏模型块的符号 ，供画仿真电 路图时调用。 定义的 6个管脚除 VERR外，都与 TPS54310的实际管 脚一致。管脚 VERR用来在开 环交流小信号 仿真时插入交 流信号源。 TPS54310的模型需 输入四个参数：开关 频率 FS，储能电 感值 L，储能电 感的欧姆电阻 RS，高频开 关管的导通电 阻 RON。完整的 TPS54310模型的 SPICE网络文件 见附件。（图 11） TPS54310宏模型块 符号
