SPICE模拟与开关模式电源

当我解决一个谜题时，我喜欢循序渐进。在尝试解决更大的图像或手头的挑战之前，对每一分钟进行微调，可以确保我有最大的机会成功完成谜题。模拟程序的感觉与我非常相似:总是试图修改模型中的每个参数，以使结果尽可能接近完美。当你使用正确的模拟包时，制作适合谜题的碎片可能比你想象的要容易。

使用SPICE模拟器是一种很好的方法，可以从时域甚至频域的复杂电路的行为中收集见解。由于SPICE模拟器通常适用于较低频率的设备，它们可以用来检查开关模式电源的行为。这有助于验证这些电源的设计，并帮助设计人员识别用于供电的设备中潜在的电源完整性问题。

线性vs.开关模式电源

这两种类型的电源是用来转换一个输入交流电压变成稳定的直流电压。每种类型的电源中用于输出直流电压的方法是不同的，尽管这两种方法都可以用基于spice的模拟进行分析。线性电源使用整流器产生直流电压，而开关电源使用开关mosfet在输入交流信号的每次波动时输出直流电压。

开关模式电源中的mosfet由驱动交流信号开关，直流输出使用脉宽调制(PWM)进行调节和平滑。它输出一个高直流电压，然后使用一个小型铁氧体变压器和一组晶体管降低电压。整个过程需要mosfet在高频率下开关，通常在数百kHz的数量级上。然后，低直流电压通过另一组二极管、电容器和电感转换为直流输出。

这些电源的输出中包含一些纹波电压，尽管每种电源的纹波电压以不同的方式产生。在线性电源中，纹波电压由于输出整流电路的RC时间常数而产生。在开关电源中，由于输出电容的反复充放电而产生纹波，纹波波形的形状取决于输出电阻和电容的值。

不受管制的电源，线性和开关模式，输出一个显著的纹波波形叠加在预期的直流输出。因此，线性和开关模式电源将包括一个稳压电路，旨在将输出电压维持在指定的值。在开关电源中，调节通过使用反馈电路调节高频波形的脉冲宽度来实现。反馈电路监测输出电压，并根据需要调整PWM信号的通断比。

SPICE模拟开关模式电源

开关电源有哪些问题?这些电源的更大的复杂性和开关动作本身呈现一些潜在的信号和电源完整性问题。模拟的目标是验证设计将这些潜在问题最小化。使用基于spice的模拟器，您可以通过调整电源电路中的组件值来检查纹波波形的变化。

适当的模拟可以确保电源供应保持预期

值得注意的是，纹波永远无法完全消除，尽管它可以减少到在设备的输入电压规格范围内。理想情况下，您应该尽量减少开关电源的纹波输出，因为这将帮助您保持PCB中的电源完整性。然后，这会影响去除电源输出纹波所需的过滤级别。目标是减少输出电压上的纹波，低到无法测量。

影响纹波波形形状和振幅的重要分量值是输出电容和电阻。在SPICE模拟器中迭代地更改这些值可以检查这两个组件的不同组合的纹波波形。同样的想法也适用于为开关电源设计调节器。

如果您正在设计一个稳压器以减少纹波，则可以使用基于spice的模拟来调整开关模式电源稳压器电路中的组件值。理想情况下，您可以确定电阻和电容的正确组合，以及最佳的稳压器设计，从而最大限度地减少输出电压的纹波。

来自开关模式电源的EMI

mosfet的开关作用会产生强烈的电流爆发，从而产生强烈的磁场。开关动作在开关频率和高次谐波处产生强磁场。这些电场可以在PCB上附近的走线中诱导信号。而数字组件则更好抗电磁干扰与模拟元件相比，电源中的开关动作可以诱导出强到足以干扰数字信号的信号。

这些电源中的mosfet通常需要~50 ns在ON和OFF状态之间切换。即使是输出电流为~ 2a的电源和典型寄生电感为~ 10nh的迹线，在此迹线中诱导的电压尖峰也将为~ 1v。这足以在某些逻辑家族中引起非自愿转换。

在设计开关电源时，你不能直接计算这个感应信号，除非你为连接到电源输出的迹线添加等效电路，这会使分析复杂化。最好是使用一个简单的计算信号，可以诱导由于开关动作和纹波。然后，这可以用来检查数字和模拟下游组件的信号完整性。

尽量让波纹波形越小越好

你是否在调查存在什么样的问题开关模式电源或任何其他类型的电路，正确的电路仿真和分析包可以帮助您诊断潜在的信号问题，并为您的设计提供信息。

无论如何设计的复杂性，PSpice软件直接使用原理图和/或PCB中的数据来分析电路的行为。PSpice技术为先进的系统设计和封装提供了最终的有利环境，帮助设计人员在电力电子领域进行实验和创建解决方案。

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