一種開關電源的仿真設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子技術領域，具體地說是一種實用性強、開關電源的仿真設計方法。
【背景技術】
[0002]開關電源是現代電子技術中應用領域最廣、結構形式最多、應用數量最大的電子設計裝置。其原理是控制開關管開通和關斷的時間比，來維持穩定的輸出電壓，一般由:控制IC和MOSFET構成。現階段的設計趨勢是將兩者集成到一顆1C，精簡了電路設計。
[0003]現代開關電源有兩種:一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。本設計主要介紹的只是直流開關電源。
[0004]隨著電子設計及消費者需求的變化，開關電源主要向著以下幾個方面發展:
一、高的轉換效率，效率提高可以提高能量的有效轉換，節省電能。二、較小的體積及重量，電子產品逐漸向小型化易用化方面發展，開關電源的設計也越來越趨向于小型輕型化。三、短的設計周期，只有產品快速高效的設計出來，才能獲得市場先機及保證占有率。四、模擬數字電源并存，模擬電源精確，數字電源易用，兩者又各有不同的優缺點，所以未來的開關電源將出現模擬數字共存的局面。
[0005]開關電源成為現代電子設計不可或缺的一部分，電源設計的好壞直接關系到產品的成敗，如何快速高質量的設計出電源成為電子產品設計中的最關鍵一環。現階段電子產品的開關電源設計都是原理圖設計，PCB打板，板卡開關電源設計測試并設計優化，優化后二次打板，二次打板驗證后繼續測試優化，如此反復，直到設計符合要求。在開關電源如此循環往復的調試過程中，花費了大量時間和PCB設計成本。而開關電源的仿真設計就可以解決這個問題。
[0006]但是，現階段開關電源的電源完整性仿真還處在頻域仿真階段，且仿真結果與實際設計的測試結果還存在一定的差距。此種情況下，提出一種可以時域頻域同時仿真且與實際測試一致的仿真設計方法變得尤為重要。
[0007]基于此，現提供一種開關電源的仿真設計方法，無需反復打板調試即可實現開關電源設計的設計優化，且與實際測試結果一致，可以大大降低設計時間，減少PCB反復打板的設計成本。
【發明內容】
[0008]本發明的技術任務是針對以上不足之處，提供一種實用性強、開關電源的仿真設計方法。
[0009]一種開關電源的仿真設計方法，其具體實現過程為:
對開關電源的設計進行分析并劃分出不同的模塊，對各個模塊進行建模，將建模好的各個模塊進行連接，對模塊參數進行修改，設置仿真條件進行仿真分析，最后，根據仿真設計分析結果進行電路的優化更改。
[0010]所述開關電源的設計劃分出且用于建模的模塊包括:開關電源輸入模塊建模、VR電路模塊建模、PCB模塊建模、插槽建模、測試治具及負載建模、輸出電容建模，并將各個模型連接起來。
[0011]開關電源輸入模塊的結構為:輸入電壓經過一個Π型濾波網絡濾波，然后輸出濾除噪聲以后的電壓Vin給VR模塊供電；其中Π型濾波網絡由電容I建模-電感建模-電容2建模組成，電容I為MLCC電容且建模為一個RLC的等效模型，該電容I支路中串聯有電阻R9、電感L4、電容C1215，其中R9為等效串聯電阻，L4為等效串聯電感，C1215為電容I的等效模型；電感建模為電感L2及其等效DCR電阻R2的串聯；電容2為Bulk電容且建模為電容C5和其等效ESR的串聯，其中ESR參數建模到電容C5內部。
[0012]VR電路模塊的結構為:在電壓輸入端與電壓輸出端之間順序設置有模數轉換器、PID調節器、PWM模塊、MOS管，在電壓反饋處還設置另一模數轉換器連接上述PID調節器。
[0013]所述各個模型的連接過程為:開關電源輸入模塊連接VR電路模塊，VR電路模塊電壓輸出端連接PCB模塊的輸入端，PCB模塊的電壓反饋點SENSEP、SENSEN分別與VR模塊的反饋接收點對應連接，該PCB模塊上還連接芯片插槽模塊、測試治具及負載、輸出電容，測試治具及負載還連接芯片插槽模塊。
[0014]所述進行仿真分析的測試項目包括:直流電壓、交流電壓、波特圖、效率、目標阻抗、負載曲線、PS狀態的切換、DVID的切換。
[0015]所述電路優化更改過程為:根據仿真設計分析結果進行電路優化完畢后，當符合設計預期時，則進行PCB板打板測試驗證，打板后進行測試并將測試結果與仿真結果進行比對分析，最后對仿真模型進行修正以完善仿真模型；當仿真結果不符合預期時，則對設計參數及電路進行調整，直至符合設計要求。
[0016]本發明的一種開關電源的仿真設計方法，具有以下優點:
本發明提出的一種開關電源的仿真設計方法，使得開關電源設計前期對設計進行建模仿真，可以實現打板就對設計進行優化，既大大減少了設計時間，又節省了設計成本；方案切實可行，且與實際量測結果基本一致。通過電路設計和仿真設計的結合，增強了設計的靈活性和可靠性；既考慮了板卡設計的直流情況，又考慮了板卡設計的交流情況，與實際設計情況完全一致；既可以進行時域仿真又可以進行頻域仿真，且與傳統的頻域仿真相比，仿真結果更準確；電路的仿真模型可以實現復用，不同的PCB設計所使用的開關電源芯片基本相同，因此，仿真電路模型建立起來以后，可以復用與所有板卡的仿真設計分析，大大簡化了仿真設計建模的工作量，實用性強，易于推廣。
【附圖說明】
[0017]附圖1為開關電源輸入模塊建模。
[0018]附圖2為VR電路模塊建模。
[0019]附圖3為PCB板模塊建模。
[0020]附圖4為芯片插槽模塊建模。
[0021]附圖5為測試治具及負載模塊建模。
[0022]附圖6為測輸出電容建模。
[0023]附圖7為直流測試與仿真結果的比較。
[0024]附圖8為交流測試與仿真結果的比較。
[0025]附圖9為仿真設計整體流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0027]現提供一種開關電源的仿真設計方法，其具體實現過程為:對開關電源的設計進行分析并劃分出不同的模塊，對各個模塊進行建模，將建模好的各個模塊進行連接，對模塊參數進行修改，設置仿真條件進行仿真分析，最后，根據仿真設計分析結果進行電路的優化更改。
[0028]所述開關電源的設計劃分出且用于建模的模塊包括:開關電源輸入模塊建模、VR電路模塊建模、PCB模塊建模、插槽建模、測試治具及負載建模、輸出電容建模，并將各個模型連接起來。
[0029]如附圖1所示，開關電源輸入模塊的結構為:輸入電壓經過一個Π型濾波網絡濾波，然后輸出濾除噪聲以后的電壓Vin給VR模塊供電；其中Π型濾波網絡由電容I建模-電感建模-電容2建模組成，電容I為MLCC電容且建模為一個RLC的等效模型，該電容I支路中串聯有電阻R9、電感L4、電容C1215，其中R9為等效串聯電阻，L4為等效串聯電感，C1215為電容I的等效模型；電感建模為電感L2及其等效DCR電阻R2的串聯；電容2為Bulk電容且建模為電容C5和其等效ESR的串聯，其中ESR參數建模到電容C5內部。。
[0030]如附圖2所示，VR電路模塊的建模過程為:首先根據得到的VR設計內部原理