CN104992003A - 一种开关电源的仿真设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源的仿真设计方法，具体实现过程为，对开关电源的设计进行分析并划分出不同的模块，对各个模块进行建模，将建模好的各个模块进行连接，对模块参数进行修改，设置仿真条件进行仿真分析，最后，根据仿真设计分析结果进行电路的优化更改。该一种开关电源的仿真设计方法与现有技术相比，既考虑开关电源芯片的设计又可以考虑PCB板的设计，既考虑了直流设计又考虑了交流设计，既可以进行时域分析又可以频域分析。与传统的频域仿真相比，开关电源的仿真设计覆盖范围大大增加，仿真结果更准确，与实际的设计及测试结果更加相符，实用性强，易于推广。

Description

一种开关电源的仿真设计方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体地说是一种实用性强、开关电源的仿真设计方法。

背景技术

开关电源是现代电子技术中应用领域最广、结构形式最多、应用数量最大的电子设计装置。其原理是控制开关管开通和关断的时间比，来维持稳定的输出电压，一般由：控制IC和MOSFET构成。现阶段的设计趋势是将两者集成到一颗IC，精简了电路设计。

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。本设计主要介绍的只是直流开关电源。

随着电子设计及消费者需求的变化，开关电源主要向着以下几个方面发展：

一、高的转换效率，效率提高可以提高能量的有效转换，节省电能。二、较小的体积及重量，电子产品逐渐向小型化易用化方面发展，开关电源的设计也越来越趋向于小型轻型化。三、短的设计周期，只有产品快速高效的设计出来，才能获得市场先机及保证占有率。四、模拟数字电源并存，模拟电源精确，数字电源易用，两者又各有不同的优缺点，所以未来的开关电源将出现模拟数字共存的局面。

开关电源成为现代电子设计不可或缺的一部分，电源设计的好坏直接关系到产品的成败，如何快速高质量的设计出电源成为电子产品设计中的最关键一环。现阶段电子产品的开关电源设计都是原理图设计，PCB打板，板卡开关电源设计测试并设计优化，优化后二次打板，二次打板验证后继续测试优化，如此反复，直到设计符合要求。在开关电源如此循环往复的调试过程中，花费了大量时间和PCB设计成本。而开关电源的仿真设计就可以解决这个问题。

但是，现阶段开关电源的电源完整性仿真还处在频域仿真阶段，且仿真结果与实际设计的测试结果还存在一定的差距。此种情况下，提出一种可以时域频域同时仿真且与实际测试一致的仿真设计方法变得尤为重要。

基于此，现提供一种开关电源的仿真设计方法，无需反复打板调试即可实现开关电源设计的设计优化，且与实际测试结果一致，可以大大降低设计时间，减少PCB反复打板的设计成本。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强、开关电源的仿真设计方法。

一种开关电源的仿真设计方法，其具体实现过程为：

对开关电源的设计进行分析并划分出不同的模块，对各个模块进行建模，将建模好的各个模块进行连接，对模块参数进行修改，设置仿真条件进行仿真分析，最后，根据仿真设计分析结果进行电路的优化更改。

所述开关电源的设计划分出且用于建模的模块包括：开关电源输入模块建模、VR电路模块建模、PCB模块建模、插槽建模、测试治具及负载建模、输出电容建模，并将各个模型连接起来。

开关电源输入模块的结构为：输入电压经过一个∏型滤波网络滤波，然后输出滤除噪声以后的电压Vin给VR模块供电；其中∏型滤波网络由电容1建模-电感建模-电容2建模组成，电容1为MLCC电容且建模为一个RLC的等效模型，该电容1支路中串联有电阻R9、电感L4、电容C1215，其中R9为等效串联电阻，L4为等效串联电感，C1215为电容1的等效模型；电感建模为电感L2及其等效DCR电阻R2的串联；电容2为Bulk电容且建模为电容C5和其等效ESR的串联，其中ESR参数建模到电容C5内部。

VR电路模块的结构为：在电压输入端与电压输出端之间顺序设置有模数转换器、PID调节器、PWM模块、MOS管，在电压反馈处还设置另一模数转换器连接上述PID调节器。

所述各个模型的连接过程为：开关电源输入模块连接VR电路模块，VR电路模块电压输出端连接PCB模块的输入端，PCB模块的电压反馈点SENSEP、SENSEN分别与VR模块的反馈接收点对应连接，该PCB模块上还连接芯片插槽模块、测试治具及负载、输出电容，测试治具及负载还连接芯片插槽模块。

所述进行仿真分析的测试项目包括：直流电压、交流电压、波特图、效率、目标阻抗、负载曲线、PS状态的切换、DVID的切换。

所述电路优化更改过程为：根据仿真设计分析结果进行电路优化完毕后，当符合设计预期时，则进行PCB板打板测试验证，打板后进行测试并将测试结果与仿真结果进行比对分析，最后对仿真模型进行修正以完善仿真模型；当仿真结果不符合预期时，则对设计参数及电路进行调整，直至符合设计要求。

本发明的一种开关电源的仿真设计方法，具有以下优点：

本发明提出的一种开关电源的仿真设计方法，使得开关电源设计前期对设计进行建模仿真，可以实现打板就对设计进行优化，既大大减少了设计时间，又节省了设计成本；方案切实可行，且与实际量测结果基本一致。通过电路设计和仿真设计的结合，增强了设计的灵活性和可靠性；既考虑了板卡设计的直流情况，又考虑了板卡设计的交流情况，与实际设计情况完全一致；既可以进行时域仿真又可以进行频域仿真，且与传统的频域仿真相比，仿真结果更准确；电路的仿真模型可以实现复用，不同的PCB设计所使用的开关电源芯片基本相同，因此，仿真电路模型建立起来以后，可以复用与所有板卡的仿真设计分析，大大简化了仿真设计建模的工作量，实用性强，易于推广。

附图说明

附图1为开关电源输入模块建模。

附图2为VR电路模块建模。

附图3为PCB板模块建模。

附图4为芯片插槽模块建模。

附图5为测试治具及负载模块建模。

附图6为测输出电容建模。

附图7为直流测试与仿真结果的比较。

附图8为交流测试与仿真结果的比较。

附图9为仿真设计整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

现提供一种开关电源的仿真设计方法，其具体实现过程为：对开关电源的设计进行分析并划分出不同的模块，对各个模块进行建模，将建模好的各个模块进行连接，对模块参数进行修改，设置仿真条件进行仿真分析，最后，根据仿真设计分析结果进行电路的优化更改。

所述开关电源的设计划分出且用于建模的模块包括：开关电源输入模块建模、VR电路模块建模、PCB模块建模、插槽建模、测试治具及负载建模、输出电容建模，并将各个模型连接起来。

如附图1所示，开关电源输入模块的结构为：输入电压经过一个∏型滤波网络滤波，然后输出滤除噪声以后的电压Vin给VR模块供电；其中∏型滤波网络由电容1建模-电感建模-电容2建模组成，电容1为MLCC电容且建模为一个RLC的等效模型，该电容1支路中串联有电阻R9、电感L4、电容C1215，其中R9为等效串联电阻，L4为等效串联电感，C1215为电容1的等效模型；电感建模为电感L2及其等效DCR电阻R2的串联；电容2为Bulk电容且建模为电容C5和其等效ESR的串联，其中ESR参数建模到电容C5内部。。

如附图2所示，VR电路模块的建模过程为：首先根据得到的VR设计内部原理图、器件的功能及仿真需求进行建模，建模完成后搭建电路并进行此电路模块的调试，确保VR模块能输出正确的信号；其具体结构为：在电压输入端与电压输出端之间顺序设置有模数转换器、PID调节器、PWM模块、MOS管，在电压反馈处还设置另一模数转换器连接上述PID调节器。

如附图3所示，PCB模块建模过程为：对PCB电源通路进行寄生参数提取建模，确保实际的PCB设计与仿真设计一致。

如附图4所示，芯片插槽模块建模过程为：对芯片插槽寄生参数进行提取，将芯片插槽的效应在仿真设计中加以考虑。

如附图5所示，测试治具及负载模块建模的建模过程为：对测试治具寄生参数进行提取建模，以更好的与测试相对应，对负载抽载进行建模，以模拟实际的电流抽载情况。

如附图6所示输出电容建模。

所述各个模型的连接过程为：开关电源输入模块连接VR电路模块，VR电路模块电压输出端连接PCB模块的输入端，PCB模块的电压反馈点SENSEP、SENSEN分别与VR模块的反馈接收点对应连接，该PCB模块上还连接芯片插槽模块、测试治具及负载、输出电容，测试治具及负载还连接芯片插槽模块。

所述进行仿真分析的测试项目包括：直流电压、交流电压、波特图、效率、目标阻抗、负载曲线、PS状态的切换、DVID的切换。

所述电路优化更改过程为：根据仿真设计分析结果进行电路优化完毕后，当符合设计预期时，则进行PCB板打板测试验证，打板后进行测试并将测试结果与仿真结果进行比对分析，最后对仿真模型进行修正以完善仿真模型；当仿真结果不符合预期时，则对设计参数及电路进行调整，直至符合设计要求。

如附图7为仿真与测试的直流结果比对；附图8为仿真与测试的交流波形比对分析图。从比对结果来看，仿真与测试结果基本吻合，也就是说本仿真设计方法切实可行。

仿真设计的整体流程图，如图9所示：

其简要的仿真流程如下：

1）、输入设计建模。

2）、输入需要的各种电路参数，比如：输入设计电路参数、开关电源电路设计参数及电路配置等。

3）、对负载抽载进行模拟并运行仿真分析，待仿真完毕后会输出对应的仿真结果。对仿真结果进行分析，如果符合设计预期，则进行PCB板打板测试验证，并根据测试结果去修正仿真模型，以便于模型的后续使用。如果仿真结果不符合预期，则对设计参数及电路进行调整，直至符合设计要求。

相较于传统的设计需要原理图设计、PCB打板、测试验证，修改后再次打板测试等环节。本发明通过设计前期对设计进行建模仿真，在首次打板之前就可以实现电路的设计优化，可以减少打板次数及设计周期，大大节省了设计时间及设计成本。

且本发明的仿真设计既可以考虑开关电源芯片的设计又可以考虑PCB板的设计，既考虑了直流设计又考虑了交流设计，既可以进行时域分析又可以频域分析。与传统的频域仿真相比，开关电源的仿真设计覆盖范围大大增加，仿真结果更准确，与实际的设计及测试结果更加相符。

此仿真设计相较于传统的仿真分析，仿真模型可以实现复用。不同的PCB设计所使用的开关电源芯片基本相同。因此，仿真电路模型建立以后，即可应用于所有设计板卡的仿真设计分析，大大简化了工作量，使仿真设计更加灵活可靠。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的一种开关电源的仿真设计方法的权利要求书的且任何所述技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，具体实现过程为，对开关电源的设计进行分析并划分出不同的模块，对各个模块进行建模，将建模好的各个模块进行连接，对模块参数进行修改，设置仿真条件进行仿真分析，最后，根据仿真设计分析结果进行电路的优化更改。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，所述开关电源的设计划分出且用于建模的模块包括：开关电源输入模块建模、VR电路模块建模、PCB模块建模、插槽建模、测试治具及负载建模、输出电容建模，并将各个模型连接起来。

3.根据权利要求2所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，开关电源输入模块的结构为：输入电压经过一个∏型滤波网络滤波，然后输出滤除噪声以后的电压Vin给VR模块供电；其中∏型滤波网络由电容1建模-电感建模-电容2建模组成，电容1为MLCC电容且建模为一个RLC的等效模型，该电容1支路中串联有电阻R9、电感L4、电容C1215，其中R9为等效串联电阻，L4为等效串联电感，C1215为电容1的等效模型；电感建模为电感L2及其等效DCR电阻R2的串联；电容2为Bulk电容且建模为电容C5和其等效ESR的串联，其中ESR参数建模到电容C5内部。

4.根据权利要求2所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，VR电路模块的结构为：在电压输入端与电压输出端之间顺序设置有模数转换器、PID调节器、PWM模块、MOS管，在电压反馈处还设置另一模数转换器连接上述PID调节器。

5.根据权利要求2所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，所述各个模型的连接过程为：开关电源输入模块连接VR电路模块，VR电路模块电压输出端连接PCB模块的输入端，PCB模块的电压反馈点SENSEP、SENSEN分别与VR模块的反馈接收点对应连接，该PCB模块上还连接芯片插槽模块、测试治具及负载、输出电容，测试治具及负载还连接芯片插槽模块。

6.根据权利要求1所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，所述进行仿真分析的测试项目包括：直流电压、交流电压、波特图、效率、目标阻抗、负载曲线、PS状态的切换、DVID的切换。

7.根据权利要求1所述的一种开关电源的仿真设计方法，其特征在于，所述电路优化更改过程为：根据仿真设计分析结果进行电路优化完毕后，当符合设计预期时，则进行PCB板打板测试验证，打板后进行测试并将测试结果与仿真结果进行比对分析，最后对仿真模型进行修正以完善仿真模型；当仿真结果不符合预期时，则对设计参数及电路进行调整，直至符合设计要求。