低边驱动buck 变换器saber 仿真设计

2015-03-20荣喃喃王冉冉郭鹏军刘莫尘李玉道

重庆电子工程职业学院学报 2015年6期

荣喃喃，王冉冉，郭鹏军，刘莫尘，李玉道

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018）

0 引言

SaberTM软件具有强大的仿真能力，广泛运用于电力、控制、机械、水力等领域的项目开发。SaberTM软件多达一万个器件模型，是最大和最精确的模型库[1]。Saber-Designer 主要利用SaberTM的三个工具Saber-Sketch、Saber-Guide、Saber-Scope，器件原理图进行设计和建模，仿真界面和更新参数，分析和计算波形。确定电路系统中影响性能的核心器件，辅助计算功率管的应力、功耗和温度，获取设计元件的电压和功耗数据，检测磁性元器件的工作状态，纠正设计器件可能存在的故障与失效模式，减小各种因素变化对系统性能的影响，完成电路设计和预调试工作[2]。

低边驱动buck 变换器的控制电路不承受高压，且不必自举驱动，对驱动IC 的要求较低，功率损耗低，应用范围很广。本文基于仿真设计方法，以直流48V-72V 输入和12V 输出为例，设计的低边驱动buck 变换器不仅可以完成隔离输出，而且电路结构简单、成本低、运行稳定。

1 低边驱动BUCK 变换器的电路设计

基于UC3843 设计的低边驱动buck 变换器的电路图如图1 所示。下面以图1 进行分析。

图1 buck 电路

1.1 电路关键参数计算

虽然一般来说C 值取得较大，以滤去输出电压中的高次谐波，但是仍然存在纹波。因此，依据上面公式计算的结果可作为参考值，在后期进行浮动调整。在saber 预调试过程中，其它电路元器件参数可随时根据各端口的波形图进行修正，以确定理想的参数。

1.2 控制芯片选型

采用TI 公司的UC3843 作为主控制芯片。采用峰值电流控制模式，在电压单环控制基础上，引入电流内环控制，使其具有良好的线性调整率和负载调整率。通过固有的脉冲电流控制，简化过载和实现短路保护。这能够消除输出滤波电感的缺点[5]。

1.3 反馈环路设计

采用光耦PC817 和TL431 组成的典型反馈网络来实现电压反馈，经过两电阻分压和TL431误差放大，以及经过PC817 信号隔离，直接进入芯片内部误差放大器的输出端（脚1），而不是输入端（脚2）。不使用UC3843 内部的误差放大器，使得反馈信号传输时间缩短，电路具有快速动态响应能力[6]。

1.4 MOSFET 选型和建模

选择MOSFET-FDP036N10A，它的漏极电流为214A，静态导通电阻为3.2 mΩ。MOSFETFDP036N10A 具有N 沟道，采用飞兆先进半导体PowerTrench 工艺生产，最大限度地降低了通态电阻，具有卓越的开关性能和高电流处理能力。

模型精度越高，计算量越小，越有利于实现复杂电路的验证。为提高电路仿真的精密性和贴合实际，利用saber 建模工具的model-Architect 进行MOSFET 的建模，从而优化仿真速度和精度。该建模工具为生成一级MOSFET 模型电路提供了支持，适合分析在电压变换器中的MOSFET的切换瞬变状态和功率损耗。该工具使用锚点进交互式优化参数，通过优化程序，帮助模型匹配实际需要的直流特性。选取datesheet 参数或曲线进行拟合[7]。

图2 是model-Architect 中的MOSFET 模型。首先，选择内部模型或生成MOSFET 模型，设置杂散电感等其它参数。其次，依次导入直流特性、电容特性、热特性、体二极管特性，结果如图3 所示。导入过程包括捕获每个特性曲线和参数数据表、使用扫描数据工具导入所需的曲线并进行鉴定，获得最佳手动锚点位置或使用曲线优化器三个环节。最后，验证模型，独立比较性能曲线，检验曲线是否匹配数据。

图2 MOSFET 模型

图3 DC 特性分析（Id surface）

如果不匹配，则再次进行仿真开通和关断，验证开关特性[7]。如图4 和图5 分别为验证开关特性和建立的最终模型。

图4 开关特性验证

图5 器件模型

2 低边驱动BUCK 电路仿真

2.1 最低输入电压和最大负载

设置V1=Vin=Vinmin=48V，负载R5=122/60=2.40Ω。图6 为PWM 和VDS 波形图，图中从上到下依次为功率管的驱动PWM 波信号、Q-Vds 信号。

从图6 可以看出，驱动信号满足buck 下管驱动指令信号要求，功率管驱动最高幅值为13.518V，开关频率f=51.928 kHz，其所承受的最大峰值电压为电源电压。最大占空比与设计的大体一致，为0.25。

图6 PWM 和VDS 波形

图7（a）为电感电流和输出电压波形图，图7（b）为放大的电感电流和输出电压波形。给出输出电压和输出电感电流信号，输出电压无过冲，上升平稳，动态响应快，23 ms 即达到稳态。输出电压为12.022V，纹波在50mV 之内，电感电流纹波为0.5A，均满足设计的精度要求。

图7（a）电感电流和输出电压波形图

图7（b）放大的电感电流和输出电压波形

2.2 额定电压满负荷情况

设置Vin=Vinmax=60 V，负载2.4Ω，图8 为仿真输出波形。在图8 中，从上到下为功率管的驱动PWM 波信号、Q-Vds 信号。从图8 可以看出，驱动信号满足buck 下管驱动指令信号要求，驱动最高幅值为13.592 V，开关频率f=51.925 kHz，占空比为0.22271，功率管承受最大峰值为电源电压60.854 V。

图8 PWM 和VDS 波形

图9(a)是电感电流和输出电压波形，图9（b）放大电感电流和输出电压波形。给出输出电压及输出电感电流波形，输出电压为12.037 V，电压纹波均在50 mV 以内，电流纹波为0.59A，均满足设计精度要求。

图9（a）电感电流和输出电压波形

图9（b）放大的电感电流和输出电压波形

2.3 最高工作电压轻负载情况

设置输入最高工作电压72 V，负载为70Ω，测试变换器的轻负载特性。图10 为PWM 和VDS波形，图中从上到下依次为功率管的驱动PWM波信号、Q-Vds 信号。图11 为电感电流和输出电压波形。

图10 PWM 和VDS 波形

图11 电感电流和输出电压波形

从图10 可以看出，驱动信号满足buck 下管驱动指令信号要求时，功率管驱动最高幅值为13.557V，开关频率f=51.922 kHz，承受的最大峰值电压为电源电压。最大占空比与设计要求基本一致，为0.20。图11 给出了输出电压及输出电感电流波形，输出电压为12.036 V，电压纹波均在50 mV 以内，电流纹波为0.62A，均满足设计精度要求。

为进一步分析高压轻载变换特性，调出检测端的波形如图12，图中从上到下依次为为输出电压、光耦反馈信号、UC3843 电流检测信号。它的稳态调整过程仅为5.9ms，且输出电压无过冲，输出平稳，基本维持在12V；在光耦反馈动态过程中，随着时间的推移，震荡幅度逐渐衰减并趋于稳定。