基于PSpice-SLPS接口的開關電源應用設計

電源系統電路，例如用于開關電源或電機控制系統的電路，可分為兩部分：通過電源開關裝置開/關電流或電壓的電路，以及帶有集成電路和其他部件的控制電路。當利用SPICE等電路模擬器對整個系統進行建模時，需要將所有控制設備渲染為電氣元件，從而使電路變得復雜。因此，設計電路需要浪費大量的時間，而不是用在設計的早期階段驗證需要重點關注的關鍵點。元素數量的增加可能會增加電路計算收斂錯誤的概率，并需要大量的時間進行運算，甚至更可能因為電路計算無法收斂，導致仿真無法進行。

另一方面，使用MATLAB/Simulink系統模擬器對整個系統進行建模，可以更容易地用數學方法表達控制算法，但如果沒有器件庫，就很難準確地表達電氣特性，例如開關器件的上升/下降沿特性、電感器、變壓器等。

本文介紹了如何通過PSpice SLPS接口(以下簡稱“SLPS”)分析前向型開關電源電路，該接口可以實現PSpice電路模擬器和MATLAB/Simulink系統的聯合仿真。

01基于PSpice的電路設計

本示例中使用的正向轉換器的示意圖如下所示：

正向轉換器原理圖

該電路的條件如下：

額定輸入電壓：130V

輸出電壓：10V

輸出電流：10A

此時，求接Q1的緩沖電路電容的最優值，以使開關功率損耗最小。

下圖為利用PSpice參數分析函數，當C2值從0.1n變化到1.0n時，Q1的VCE波形變化情況。

從這個結果來看，0.5nF被認為是一個合適的值，可以在開關時產生更小的功率損耗和更小的VCE值。

下圖為C2設為0.5nF時輸出電壓/電流和VCE波形。

使用可變阻抗ZX代替負載電阻R1，以便Simulink可以通過Vload指定負載值.

可變負載電路

02基于MATLAB/Simulink的控制系統設計

如下分配SLPS塊，并通過MATLAB/Simulink設計PWM控制器。

整體模型

原理圖應用于SLPS塊，并指定輸出電壓（Vout）、輸出電流（Iout）和開關晶體管的功耗（Tr功率耗散）作為輸出。將Vout設置為PWM控制器的輸入，并將來自控制器和負載的開關控制信號設置為SLPS塊的輸入。

PWM控制器

控制器模型中，通過將PI控制的輸出電壓與參考值進行比較，然后與三角波進行比較，生成PWM信號。

結果

Simulink設置為以下條件:

Endtime: 1e-3 seconds

Solvertype: Fixedstep

Solver:ode5

Stepsize: 1e-6 seconds

以下顯示了當負載電阻值設置為1?時的模擬結果：

上：輸出電壓；下：輸出電流

上：晶體管功耗；下：開關信號波形

1.2mS時負載電阻從1變為5?

結果表明，啟動后輸出在0.4mS左右開始穩定，并隨負載變化而變化。

總結

在本設計實例中，電路采用PSpice環境設計，控制系統采用Simulink環境設計。通過電路表達元件的電氣特性，包括器件的時延，以及難以用數學公式表達的特性，然后利用PSpice設計了基本電路。應用數學表達式中的靈活Simulink模型來設計激活電路的控制器。最后，使用SLPS將兩個環境結合起來，進行考慮電氣特性的整體模擬。

PSpice系統充分利用了各仿真工具的特點，使系統設計更加高效。