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使用PSpice的電力系統(tǒng)中的大電流直流電壓管理
每位電氣工程師都應(yīng)通過學(xué)習(xí)直流電源，歐姆定律和整個(gè)電路的電源分配來開始電子學(xué)教育。當(dāng)您考慮在電路圖中表示真實(shí)組件的簡(jiǎn)化方法時(shí)，與交流電源系統(tǒng)相比，直流電壓和電流看起來很簡(jiǎn)單。實(shí)際上，直流電源系統(tǒng)會(huì)變得非常復(fù)雜，非常快速，設(shè)計(jì)人員需要考慮其系統(tǒng)中的電氣和熱安全性。
每個(gè)數(shù)字和模擬系統(tǒng)都需要一個(gè)板載電源，但是用于電力電子系統(tǒng)的板可以成為自己的成果。如果您正在設(shè)計(jì)直流電源系統(tǒng)，或者需要用于AC-DC轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，則需要考慮系統(tǒng)的安全性和溫度，尤其是在大電流下運(yùn)行時(shí)。“大電流”一詞似乎有些武斷，但是系統(tǒng)中的電流將確定不同組件的安全性和溫度升高，因?yàn)樗鼪Q定了散發(fā)為熱量的DC功率。
PCB中的大電流直流電壓管理始于原理圖。目的是檢查系統(tǒng)中不同組件之間的電壓降如何以及在高電流下會(huì)消耗多少功率。高壓/大電流系統(tǒng)中的電阻，變壓器，開關(guān)FET和其他驅(qū)動(dòng)器或控制IC之類的組件可能會(huì)達(dá)到高溫，或使用戶遭受輸出沖擊。
直流穩(wěn)壓器級(jí)
電力系統(tǒng)本身可能需要多個(gè)調(diào)節(jié)器級(jí)。目標(biāo)是采用不受管制的，可能有噪聲的直流電源，并將其轉(zhuǎn)換為具有固定電壓/電流的穩(wěn)定直流輸出。當(dāng)涉及到高直流下的高壓電源電路時(shí)，市場(chǎng)上很少有集成電路集成了直流電源轉(zhuǎn)換所需的所有組件，因此您必須在輸入調(diào)節(jié)器級(jí)上使用單獨(dú)的分立組件。這是這些系統(tǒng)很大的原因之一。分立元件需要布置在PCB上，以便為板上的風(fēng)扇或散熱器騰出空間。
在原理圖中，您需要使用分立元件構(gòu)建穩(wěn)壓器電路，并模擬到達(dá)輸出的電壓/電流。可以使用PSpice中的瞬態(tài)分析來計(jì)算每個(gè)調(diào)節(jié)器級(jí)提供的功率。通過將每個(gè)階段的輸出功率與輸入功率進(jìn)行比較，可以確定電路的效率。設(shè)計(jì)良好的開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)具有遠(yuǎn)高于95％的效率。您可以在相關(guān)文章中閱讀有關(guān)設(shè)計(jì)和模擬各種開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞?/span>更多信息。
大電流DC降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖
使用PSpice中的仿真工具，可以在直流穩(wěn)壓器級(jí)中進(jìn)行以下仿真：
輸出電壓，電流和功率。為此，只需放置理想的負(fù)載分量（上圖中的RL）并進(jìn)行瞬態(tài)分析。這將向您展示輸出電壓，功率和電流如何上升以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。只需在輸出上放置探頭，或添加波形。有關(guān)上述電路中電感器的示例電壓波形，請(qǐng)參見下圖。
電阻元件的功耗。您的目標(biāo)是檢查電阻組件的功耗是否不超過絕對(duì)最大額定功率。然后，每個(gè)組件的功耗將確定其溫度升高。您可以通過將組件溫度系數(shù)作為零件參數(shù)包含在PSpice原理圖中來直接模擬每個(gè)組件中的溫度。
輸入直流電壓掃描。通過直流電壓掃描，您可以查看系統(tǒng)輸出的變化方式，并可以確定最大輸入電壓。這應(yīng)該與上一點(diǎn)結(jié)合起來，因?yàn)樵黾虞?/span>入電壓會(huì)增加跨不同組件的功耗。對(duì)于開關(guān)MOSFET，如果輸入電壓超過晶體管負(fù)載線的線性范圍，則輸出將飽和。
直流穩(wěn)壓器中的輸出電壓電平和電感器電流
瞬態(tài)分析使您可以看到輸出紋波，穩(wěn)定的電壓電平以及電壓紋波與其他組件中的電壓/電流的比較。下面顯示了在上述調(diào)節(jié)器級(jí)中將輸出電壓與電感器電流進(jìn)行比較的示例。下圖還顯示了低輸入電壓的結(jié)果。掃描輸入電壓時(shí)，您可以生成多個(gè)圖形并確定電壓電平何時(shí)停止增加（即，穩(wěn)壓器中的MOSFET何時(shí)飽和）。
在上述電路中以及在DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中要考慮的重要一點(diǎn)是電容器中的寄生效應(yīng)。電容器引線中的串聯(lián)電感和電阻會(huì)導(dǎo)致所有電容器表現(xiàn)出自諧振，這意味著電容器的功能類似于串聯(lián)RLC電路。您可以使用PSpice中的掃頻模擬來確定電容器的自諧振頻率。電容器的自諧振頻率應(yīng)大于PWM信號(hào)的拐點(diǎn)頻率，以確保輸出電壓上的低紋波。
確定DC-DC階段的電壓和電流后，您需要考慮電路
用于大電流AC-DC轉(zhuǎn)換的隔離和PFC電路
如果要構(gòu)建從交流輸入轉(zhuǎn)換成的大電流直流電源系統(tǒng)，則在輸入上需要整流器。為了很大程度地提高開關(guān)穩(wěn)壓器級(jí)的輸出效率，您可能需要使用功率因數(shù)校正（PFC）電路來確保下游開關(guān)穩(wěn)壓器吸收穩(wěn)定的電流。開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電流，因此輸入功率級(jí)的電流不會(huì)像干凈的正弦波。取而代之的是，它會(huì)流向下游調(diào)節(jié)器級(jí)的電流很小。
PFC電路的目的是確保流向下游開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流類似于正弦波。PFC電路在整流器的輸出端使用一個(gè)電感器，以抑制開關(guān)調(diào)節(jié)器吸收的任何電流。當(dāng)電流突發(fā)流過PFC級(jí)的輸出時(shí)，電感器會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，這會(huì)減慢到達(dá)穩(wěn)壓器級(jí)輸入的電流上升。典型的拓?fù)淙缦滤荆?/span>
用于大電流AC-DC轉(zhuǎn)換的PFC拓?fù)?/span>
甲PWM信號(hào)用于切換的MOSFET（見S上文），這引起電容器的充電和放電。PFC電路的輸出電平和波形將取決于PWM占空比。輸入電感器減緩了到達(dá)電容器的輸入電流的上升和下降，這導(dǎo)致到達(dá)調(diào)節(jié)器輸入的電流類似于帶有一些波紋的正弦波。
就像DC-DC轉(zhuǎn)換階段中的各個(gè)調(diào)節(jié)器階段一樣，您應(yīng)該對(duì)輸出進(jìn)行瞬態(tài)分析，以檢查電流波形類似于帶有波紋的正弦波，并且應(yīng)該將輸入功率與輸出功率進(jìn)行比較以計(jì)算效率。還應(yīng)模擬電阻組件的功耗，并且應(yīng)檢查額定功率和溫度是否超過最大值。
大電流直流電源系統(tǒng)中要考慮的其余方面是交流電源的隔離。大功率交流電源通常在PFC級(jí)之前通過變壓器和整流器饋電，以降低電壓。在輸入直流穩(wěn)壓器上使用反激轉(zhuǎn)換器具有許多好處。首先，將第一直流調(diào)節(jié)器級(jí)的初級(jí)和次級(jí)側(cè)電隔離。這樣可以減少來自初級(jí)側(cè)的瞬態(tài)耦合，消除下游轉(zhuǎn)換器級(jí)中的接地環(huán)路，并允許通過選擇變壓器上的繞組方向來控制輸出極性。PSpice中的瞬態(tài)仿真將向您展示初級(jí)側(cè)的瞬態(tài)如何傳播到第一級(jí)調(diào)節(jié)器輸出，從而使您能夠評(píng)估系統(tǒng)的安全性。
規(guī)劃您的PCB布局
從SPICE仿真中獲得的結(jié)果對(duì)于規(guī)劃DC系統(tǒng)中的功率分配至關(guān)重要。您的布局以電源/接地層，過孔，電源軌和實(shí)際組件的形式在直流電流中形成了另一層電阻。PCB布局的其他方面也需要加以考慮，以防止走線和組件的溫度過度升高。IPC標(biāo)準(zhǔn)以及消費(fèi)和商用產(chǎn)品的UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于高壓和大電流系統(tǒng)的DC和AC PCB布局的這些方面。
為了符合IPC，開始布局時(shí)要考慮兩點(diǎn)：走線中的電流密度和導(dǎo)體之間的間距，取決于它們之間的電勢(shì)差。可以根據(jù)走線允許的溫升來確定DC和AC電源系統(tǒng)PCB的走線寬度。然后可以從IPC-2152諾模圖確定。目的是確定要在PCB中使用的合適的銅重量。
規(guī)定了保持不同電位的導(dǎo)體之間的間距，目的是防止操作過程中產(chǎn)生靜電放電。這些間隙（視線間距）和爬電距離（板表面間距）的規(guī)則在IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)中指定。有一些簡(jiǎn)單的公式可以用來確定高壓直流電源系統(tǒng)中最小間隙和爬電距離與電壓的關(guān)系。