同步整流BUCK型DC-DC模塊TPS54310的平均SPICE模型的建立與應(yīng)用

1 引言
自從1978年，R.Keller 首次運(yùn)用R.D.Middlebrook的理論進(jìn)行開關(guān)電源的SPICE仿真，近30年來(lái)，在開關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了自己的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長(zhǎng)，比較有代表性的有：Dr. Sam Ben-Yaakov的開關(guān)電感模型；Dr. Ray Ridley的模型；基于 Dr. Vatche Vorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源平均Pspice模型；基于Steven Sandler的ICAP4的開關(guān)電源平均Isspice模型；基于Dr. Vincent G. Bello的Cadence的開關(guān)電源平均模型等等。本文將在Dr. Sam Ben-Yaakov開關(guān)電感模型概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI公司的DC-DC變換器IC TPS54310的主要參數(shù)進(jìn)行平均SPICE宏模型的構(gòu)建，并對(duì)利用所建模型構(gòu)成的DC-DC變換器電路在Intusoft公司的ICAP4軟件平臺(tái)上進(jìn)行直流分析、小信號(hào)分析以及閉環(huán)大信號(hào)瞬態(tài)分析。

2 TPS54310的平均SPICE模型的建立
TPS54310是美國(guó)TI公司推出的集成功率MOSFET的直流/直流變換器IC系列SWIFT的新成員，3V 至 6V輸入，0.9V 到 3.3V可調(diào)輸出，連續(xù)額定電流達(dá)3A。TPS54310集成了構(gòu)成同步整流BUCK型DC-DC模塊所有需要的有源器件， 內(nèi)部電路框圖見(jiàn)（圖1）。

（圖1）TPS54310內(nèi)部電路框圖

主電路模型的構(gòu)建
主電路模型包括開關(guān)電感SIM模型、占空比發(fā)生器DCG以及損耗發(fā)生器模型三部分。

1. 開關(guān)電感SIM模型
仔細(xì)研究經(jīng)典PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)洌╞uck，boost,buck-boost），可以發(fā)現(xiàn)它們均包含一個(gè)非線性模塊，即用來(lái)儲(chǔ)能的可開關(guān)的電感，見(jiàn)（圖2）。因?yàn)樽儞Q器的系統(tǒng)帶寬要小于開關(guān)頻率，因此可以把這個(gè)非線性模塊作平均處理，然后用與SPICE兼容的等效電路代替，就可以得到PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的平均SPICE模型。這個(gè)低頻的或者平均的等效電路見(jiàn)（圖3），用SPICE中的非線性獨(dú)立源構(gòu)成。EL代表儲(chǔ)能電感L兩端的平均電壓。

(1)

流過(guò)開關(guān)電感各端口的平均電流如下：

（2a） IL代表流過(guò)儲(chǔ)能電感L的平均電流

（圖3）開關(guān)電感模型

（圖2）開關(guān)電感

（1） 式和（2a）~ （2c）式的關(guān)系適用于CCM連續(xù)電感電流和DCM不連續(xù)電感電流兩種工作模式。

2. 占空比發(fā)生器DCG
TPS54310內(nèi)部采用電壓模式的脈寬調(diào)制器，PWM比較器把誤差放大器輸出的控制電壓與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生所需的接通占空比DON，如（圖4）所示。查TPS54310數(shù)據(jù)手冊(cè)中的關(guān)鍵特性參數(shù)表可得， VL=0.75V，VH=1.75V，所以

（圖4）

（圖5）

對(duì)應(yīng)（3）式的等效模型見(jiàn)（圖5），X1是增益為1的增益宏模型，可從ICAP4的模型庫(kù)里直接調(diào)用。斷開占空比DOFF的產(chǎn)生比較復(fù)雜，分為下面兩種情況：

DCM模式

CCM模式

對(duì)應(yīng)（4）式和（5）式的等效模型見(jiàn)（圖6）。其中，非線性獨(dú)立電壓源EDOFF對(duì)應(yīng)（4）式

（圖6）

中的DOFF, EMAX對(duì)應(yīng)（5）式中的DOFF 。在DCM模式下，DOFF 1-DON，因此理想二極管D2截止，則

在CCM模式下，DOFF≥1-DON，理想二極管D2導(dǎo)通，這時(shí)，

可以看出，DOFF發(fā)生器模型在DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)入CCM模式和DCM模式時(shí)是自適應(yīng)的，在仿真過(guò)程中無(wú)需人工切換。理想二極管D1的作用是確保DOFF不小于0。

3. 損耗發(fā)生器模型
TPS54310 DC-DC轉(zhuǎn)換器的損耗主要有三部分：整流損耗、高頻開關(guān)損耗和儲(chǔ)能電感的平均歐姆損耗。整流損耗模型用一個(gè)非線性獨(dú)立電流源和TPS54310內(nèi)部的同步整流管模型構(gòu)成；高頻開關(guān)損耗模型用一個(gè)非線性獨(dú)立電流源和TPS54310內(nèi)部的高頻開關(guān)管的導(dǎo)通電阻構(gòu)成；儲(chǔ)能電感的平均歐姆損耗模型用一個(gè)非線性獨(dú)立電流源和TPS54310外接儲(chǔ)能電感的歐姆電阻構(gòu)成。

誤差放大器宏模型的構(gòu)建

誤差放大器的電路級(jí)模型廠家一般不公布，這里根據(jù)TPS54310的數(shù)據(jù)手冊(cè)，建立誤差放大器的性能模型。由于性能模型采用黑箱模擬，因而降低了模型的復(fù)雜度，同時(shí)獲得了更高的仿真效率。建立TPS54310誤差放大器的性能模型需要下面6個(gè)主要參數(shù)：
1. 直流開環(huán)增益：120dB 或1000000 {GAIN}
2. 第一極點(diǎn)：3.75Hz {POLE}
3. 最大輸出電壓：1.75V {VHIGH}
4. 最小輸出電壓：0.75 V{VLOW}
5. 最大吸電流：3mA {ISINK}
6. 最大源電流：3mA {ISOURCE}

直流開環(huán)增益和第一極點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)自TPS54310數(shù)據(jù)手冊(cè)中的誤差放大器開環(huán)頻響曲線。

最大輸出電壓和最小輸出電壓結(jié)合上面的（3）式推出。即當(dāng)DON=0，誤差放大器輸出最小控制電壓0.75V；當(dāng)DON=1，誤差放大器輸出最大控制電壓1.75V。最終TPS54310誤差放大器的宏模型見(jiàn)（圖7），其開環(huán)仿真曲線見(jiàn)圖（8）。

（圖7）TPS54310誤差放大器的宏模型

（圖8）TPS54310誤差放大器的開環(huán)仿真曲線

同步整流管模型的構(gòu)建
TPS54310同步整流管模型簡(jiǎn)化地用具有更小正向電壓降的肖特基二極管來(lái)模擬。對(duì)理想二極管，正向電壓降的公式：

（圖9）同步整流管模型的I-V仿真特性曲線

一般用增大飽和電流IS的辦法建立肖特基二極管的模型。用ICAP4軟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： .MODEL D_SYNC D (IS=3.99M RS=2.8M N=1 CJO=10P VJ=0.75 M=0.333 TT=1.0N)。

（圖9）是仿真的同步整流管模型I-V特性曲線。

可以看出，當(dāng)電流為3A時(shí)，正向電壓降為0.18V。

這個(gè)結(jié)果與TPS54310的同步整流管在3A時(shí)的壓降3*0.059=0.177V是吻合的。

最終建立的TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路見(jiàn)（圖10），（圖11）是對(duì)應(yīng)的宏模型塊的符號(hào)，供畫仿真電路圖時(shí)調(diào)用。定義的6個(gè)管腳除VERR外，都與TPS54310的實(shí)際管腳一致。管腳VERR用來(lái)在開環(huán)交流小信號(hào)仿真時(shí)插入交流信號(hào)源。TPS54310的模型需輸入四個(gè)參數(shù)：開關(guān)頻率FS，儲(chǔ)能電感值L，儲(chǔ)能電感的歐姆電阻RS，高頻開關(guān)管的導(dǎo)通電阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE網(wǎng)絡(luò)文件見(jiàn)附件。

（圖11）TPS54310宏模型塊符號(hào)

3 TPS54310的平均SPICE模型的驗(yàn)證與應(yīng)用
為了驗(yàn)證模型的正確性，用TI公司提供的專用設(shè)計(jì)軟件SWIFT? Designer 2.01設(shè)計(jì)了五種DC-DC變換電路，然后利用前面所建的TPS54310模型，構(gòu)成同樣的DC-DC變換器的仿真電路，在ICAP4軟件上進(jìn)行直流分析和交流小信號(hào)分析，比較這兩種方法獲得的數(shù)據(jù)，見(jiàn)（表1）。可以看出，二者的差別非常小。因此有理由認(rèn)為，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。

（圖10）TPS54310的平均SPICE模型內(nèi)部電路

表一

（圖12）TPS54310演示板直流和交流小信號(hào)仿真電路

（圖13）

（圖15）負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形

（圖16）輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線

（圖14）TPS54310演示板負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動(dòng)衰減率仿真電路

下面，利用前面所建的TPS54310平均 SPICE模型對(duì)TI公司提供的演示板電路進(jìn)行全面的仿真分析。直流和交流小信號(hào)分析的仿真電路見(jiàn)（圖12），直流工作點(diǎn)標(biāo)注在圖上。得到的系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性（幅頻和相頻）見(jiàn)（圖 13）。環(huán)路增益交越頻率為44KHz，過(guò)0dB 時(shí)，相移為83.1度，證明該電源系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（圖14）是仿真負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入音頻擾動(dòng)衰減率的電路圖。注意仿真技巧，C3 由（圖12）的1kF變?yōu)?pF,相當(dāng)于交流開路節(jié)點(diǎn)8和4；同時(shí)，L1 由（圖12）的1gH變?yōu)?pH,相當(dāng)于交流短路節(jié)點(diǎn)8和5，形成閉環(huán)。分段線性源ILoad模擬負(fù)載電流的瞬間突變（在1us內(nèi)跳變3A）。（圖15）是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。在電源輸入端插入1Vac 的交流電壓源，在節(jié)點(diǎn)9得到如（圖16）所示的輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線，反映了系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)正弦波輸入電壓擾動(dòng)的抑制能力。為了研究系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抑制能力，在輸入音頻擾動(dòng)衰減率與頻率的關(guān)系曲線負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形輸出端插入1Aac的交流電流源（仿真電路略），在節(jié)點(diǎn)9可得到閉環(huán)輸出阻抗，見(jiàn)（圖17）。至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已對(duì)TI公司提供的演示板電路進(jìn)行了較全面的動(dòng)態(tài)指標(biāo)的仿真分析，包括穩(wěn)定性，快速性和抗擾動(dòng)性，這是TI的設(shè)計(jì)軟件SWIFT? Designer 2.01所不能給出的。

（圖17）閉環(huán)輸出阻抗與頻率的關(guān)系曲線

4. 總結(jié)
建立TPS54310平均SPICE模型的意義在于，只需要廠家公開的電源IC的技術(shù)資料，就能提取具有相當(dāng)準(zhǔn)確度的模型，方便設(shè)計(jì)者在制作出實(shí)際的電路之前，對(duì)電源的性能，特別是動(dòng)態(tài)性能做出全面的評(píng)估，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)者對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化。而且比起開關(guān)模型來(lái)說(shuō)，占用機(jī)時(shí)少，有很高的仿真效率。對(duì)比廠家給出的原始設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用平均SPICE模型在通用電路分析軟件上仿真更靈活，更強(qiáng)大，應(yīng)該是原始設(shè)計(jì)軟件必不可少的補(bǔ)充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流BUCK型DC-DC模塊平均SPICE模型的通用電路框架，具有一定的普遍性。稍微調(diào)整幾個(gè)模型參數(shù)，就可以建立TI公司整個(gè)SWIFT電源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。對(duì)其他廠家的電源IC產(chǎn)品，通過(guò)適當(dāng)修改也可以方便地建立它們的平均SPICE模型。