使用PSpice的電力系統中的大電流直流電壓管理

2020-06-17

每位電氣工程師都應通過(guò)學(xué)習直流電源，歐姆定律和整個(gè)電路的電源分配來(lái)開(kāi)始電子學(xué)教育。當您考慮在電路圖中表示真實(shí)組件的簡(jiǎn)化方法時(shí)，與交流電源系統相比，直流電壓和電流看起來(lái)很簡(jiǎn)單。實(shí)際上，直流電源系統會(huì )變得非常復雜，非?？焖?，設計人員需要考慮其系統中的電氣和熱安全性。

每個(gè)數字和模擬系統都需要一個(gè)板載電源，但是用于電力電子系統的板可以成為自己的成果。如果您正在設計直流電源系統，或者需要用于AC-DC轉換的系統，則需要考慮系統的安全性和溫度，尤其是在大電流下運行時(shí)。“大電流”一詞似乎有些武斷，但是系統中的電流將確定不同組件的安全性和溫度升高，因為它決定了散發(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/大電流系統中的電阻，變壓器，開(kāi)關(guān)FET和其他驅動(dòng)器或控制IC之類(lèi)的組件可能會(huì )達到高溫，或使用戶(hù)遭受輸出沖擊。

直流穩壓器級

電力系統本身可能需要多個(gè)調節器級。目標是采用不受管制的，可能有噪聲的直流電源，并將其轉換為具有固定電壓/電流的穩定直流輸出。當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換所需的所有組件，因此您必須在輸入調節器級上使用單獨的分立組件。這是這些系統很大的原因之一。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建穩壓器電路，并模擬到達輸出的電壓/電流?？梢允褂?/span>PSpice中的瞬態(tài)分析來(lái)計算每個(gè)調節器級提供的功率。通過(guò)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。設計良好的開(kāi)關(guān)穩壓器應具有遠高于95％的效率。您可以在相關(guān)文章中閱讀有關(guān)設計和模擬各種開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲的更多信息。

大電流DC降壓轉換器的原理圖

使用PSpice中的仿真工具，可以在直流穩壓器級中進(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到穩態(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，請參見(jiàn)下圖。

電阻元件的功耗。您的目標是檢查電阻組件的功耗是否不超過(guò)絕對最大額定功率。然后，每個(gè)組件的功耗將確定其溫度升高。您可以通過(guò)將組件溫度系數作為零件參數包含在PSpice原理圖中來(lái)直接模擬每個(gè)組件中的溫度。

輸入直流電壓掃描。通過(guò)直流電壓掃描，您可以查看系統輸出的變化方式，并可以確定最大輸入電壓。這應該與上一點(diǎn)結合起來(lái)，因為增加輸入電壓會(huì )增加跨不同組件的功耗。對于開(kāi)關(guān)MOSFET，如果輸入電壓超過(guò)晶體管負載線(xiàn)的線(xiàn)性范圍，則輸出將飽和。

直流穩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節器級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，穩壓器中的MOSFET何時(shí)飽和）。

在上述電路中以及在DC-DC轉換器設計中要考慮的重要一點(diǎn)是電容器中的寄生效應。電容器引線(xiàn)中的串聯(lián)電感和電阻會(huì )導致所有電容器表現出自諧振，這意味著(zhù)電容器的功能類(lèi)似于串聯(lián)RLC電路。您可以使用PSpice中的掃頻模擬來(lái)確定電容器的自諧振頻率。電容器的自諧振頻率應大于PWM信號的拐點(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轉換的隔離和PFC電路

如果要構建從交流輸入轉換成的大電流直流電源系統，則在輸入上需要整流器。為了很大程度地提高開(kāi)關(guān)穩壓器級的輸出效率，您可能需要使用功率因數校正（PFC）電路來(lái)確保下游開(kāi)關(guān)穩壓器吸收穩定的電流。開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )在短時(shí)間內產(chǎn)生電流，因此輸入功率級的電流不會(huì )像干凈的正弦波。取而代之的是，它會(huì )流向下游調節器級的電流很小。

PFC電路的目的是確保流向下游開(kāi)關(guān)調節器的電流類(lèi)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(kāi)關(guān)調節器吸收的任何電流。當電流突發(fā)流過(guò)PFC級的輸出時(shí)，電感器會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，這會(huì )減慢到達穩壓器級輸入的電流上升。典型的拓撲如下所示：

用于大電流AC-DC轉換的PFC拓撲

甲PWM信號用于切換的MOSFET（見(jiàn)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電容器的輸入電流的上升和下降，這導致到達調節器輸入的電流類(lèi)似于帶有一些波紋的正弦波。

就像DC-DC轉換階段中的各個(gè)調節器階段一樣，您應該對輸出進(jìn)行瞬態(tài)分析，以檢查電流波形類(lèi)似于帶有波紋的正弦波，并且應該將輸入功率與輸出功率進(jìn)行比較以計算效率。還應模擬電阻組件的功耗，并且應檢查額定功率和溫度是否超過(guò)最大值。

大電流直流電源系統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級之前通過(guò)變壓器和整流器饋電，以降低電壓。在輸入直流穩壓器上使用反激轉換器具有許多好處。首先，將第一直流調節器級的初級和次級側電隔離。這樣可以減少來(lái)自初級側的瞬態(tài)耦合，消除下游轉換器級中的接地環(huán)路，并允許通過(guò)選擇變壓器上的繞組方向來(lái)控制輸出極性。PSpice中的瞬態(tài)仿真將向您展示初級側的瞬態(tài)如何傳播到第一級調節器輸出，從而使您能夠評估系統的安全性。

規劃您的PCB布局

從SPICE仿真中獲得的結果對于規劃DC系統中的功率分配至關(guān)重要。您的布局以電源/接地層，過(guò)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(xiàn)和組件的溫度過(guò)度升高。IPC標準以及消費和商用產(chǎn)品的UL和IEC標準規定了用于高壓和大電流系統的DC和AC PCB布局的這些方面。

為了符合IPC，開(kāi)始布局時(shí)要考慮兩點(diǎn)：走線(xiàn)中的電流密度和導體之間的間距，取決于它們之間的電勢差?？梢愿鶕呔€(xiàn)允許的溫升來(lái)確定DC和AC電源系統PCB的走線(xiàn)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。

規定了保持不同電位的導體之間的間距，目的是防止操作過(guò)程中產(chǎn)生靜電放電。這些間隙（視線(xiàn)間距）和爬電距離（板表面間距）的規則在IPC-2221標準中指定。有一些簡(jiǎn)單的公式可以用來(lái)確定高壓直流電源系統中最小間隙和爬電距離與電壓的關(guān)系。