电力系统大电流直流电压管理与PSpice

2020年6月16日

你能带走什么

直流配电就是跟踪整个系统的电压降。
在大电流下，电阻元件上的显著压降会将功率转化为热量，从而导致温度升高。
如果在创建PCB布局之前可以识别热组件，则可以确定电路板中是否需要风扇、散热器或更激进的冷却措施。

你知道你应该使用的正确的互连间距和密度吗?

每个电气工程师都是从学习直流电源、欧姆定律和电路中的功率分配开始他们的电子学教育的。当您考虑在电路图中实际元件的简化表示方式时，与交流电力系统相比，直流电压和电流似乎很简单。在现实中，直流电力系统可以变得非常复杂，非常快，设计师需要考虑他们的系统中的电气和热安全。

每个数字和模拟系统都需要一个板载电源，但电力电子系统的电路板可以是它们自己的野兽。如果你正在设计一个直流电源系统，或者你需要一个交直流转换系统，你需要考虑系统的安全性和温度，特别是当它在大电流下运行时。术语“大电流”似乎有点武断，但系统中的电流将决定不同组件的安全性和温升，因为它决定了作为热量耗散的直流功率。

pcb中的大电流直流电压管理从原理图开始。目标是检查系统中不同组件之间的电压是如何下降的，以及在大电流下耗散了多少功率。高压/大电流系统中的电阻、变压器、开关fet和其他驱动器或控制ic等组件可能会达到高温或使用户在输出时受到冲击。值得庆幸的是，您可以使用SPICE仿真工具来检查直流电源系统设计的这些方面，并确定正确的布局选择。

直流稳压器级

电力系统本身可能需要多个稳压器级。其目标是将一个不受调节的、可能有噪声的直流电源转换为具有固定电压/电流的稳定直流输出。当涉及到高压电源电路时，在高直流电流下，市场上很少有集成所有直流电源转换所需组件的ic，因此您必须在输入稳压器级上使用单独的离散组件。这是这些系统相当大的原因之一;离散组件需要布置在PCB上，以便为电路板上的风扇或散热器腾出空间。

在原理图中，您需要从离散组件构建稳压器电路，并模拟到达输出的电压/电流。每个稳压器级提供的功率可以用PSpice中的暂态分析来计算。通过比较每一级的输出功率和输入功率，可以确定电路的效率。一个设计良好的开关调节器的效率应该远高于95%。您可以阅读更多关于设计和模拟各种相关文章中的开关稳压器拓扑．

大电流直流降压变换器原理图

以下是您可以使用PSpice中的模拟工具在直流稳压器阶段中模拟的内容:

输出电压、电流、功率。要做到这一点，只需放置一个理想负载组件(上图中的RL)并运行瞬态分析。这将显示输出电压、功率和电流如何上升到稳定状态。只需在输出端放置探头，或添加波形。见下图为一个例子电压波形电感在上述电路。
电阻元件的功耗。您的目标是检查电阻元件的功耗不超过绝对最大额定功率。每个组件的功耗将决定其温升。通过将组件温度系数作为PSpice原理图中的部分参数，可以直接模拟每个组件中的温度。
输入直流电压扫描。通过直流电压扫描，您可以看到系统的输出将如何变化，并且可以识别最大输入电压。这应该与前一点结合起来，因为增加输入电压将增加不同组件之间的功率下降。使用开关mosfet，如果输入电压超过晶体管负载线上的线性范围，输出将饱和。

暂态分析可以让您看到输出上的纹波、稳定的电压水平以及电压纹波与其他组件中的电压/电流的比较。一个比较输出电压与电感电流在上述稳压器级的例子如下所示。下图也显示了低输入电压的结果。当你扫描输入电压时，你可以生成多个图形，并确定电压水平何时停止增加(即，当稳压器中的MOSFET饱和)。

直流稳压器中的输出电压电平和电感电流。

在上述电路和DC-DC转换器设计中，需要考虑的重要一点是电容中的寄生。串联电感和电阻在电容器引线引起所有电容器表现出自共振这意味着电容器的功能类似于串联RLC电路。参数可以确定电容器的自谐振频率频率扫描在PSpice模拟。电容自谐振频率应大于PWM信号的膝盖频率，以保证输出电压的低纹波。

一旦你确定了DC-DC级的电压和电流，你需要考虑如何你的电路

用于大电流交直流转换的隔离和PFC电路

如果你正在建造一个由交流输入转换而来的大电流直流电源系统，那么你需要在输入端安装一个整流器。为了最大限度地提高开关稳压器级的输出效率，可能需要使用功率因数校正(PFC)电路，以确保下游开关稳压器获得稳定的电流。开关稳压器在短时间内吸取电流，因此在输入功率级的电流不会像一个干净的正弦波。相反，它将表现为流经下游稳压器级的小电流爆发。

PFC电路的要点是确保到达下游开关调节器的电流类似于正弦波。PFC电路使用整流器输出端的电感来抑制开关调节器产生的电流。当电流突发流过PFC级的输出时，电感产生反电动势，减缓电流上升到稳压器级的输入。典型的拓扑结构如下所示:

用于大电流交直流转换的PFC拓扑结构。

一个脉宽调制信号用于开关MOSFET(见上文S)，这导致电容器充放电。PFC电路的输出电平和波形取决于PWM占空比。输入电感减缓了到达电容器的输入电流的上升和下降，这导致到达调节器输入的电流类似于带有一些纹波的正弦波。

就像DC-DC转换级中的各种稳压器级一样，您应该对输出执行瞬态分析，以检查当前波形是否类似于带纹波的正弦波，并且应该将输入功率与输出功率进行比较以计算效率。电阻元件也应模拟功耗，并应检查额定功率和温度是否超过最大值。

在大电流直流电源系统中要考虑的剩余方面是交流电源的隔离。大功率交流电源通常在PFC阶段之前通过变压器和整流器来降低电压。使用一个回程转换器在输入直流稳压器提供几个好处。首先，第一直流稳压器级的一次侧和二次侧电隔离。这减少了来自一次侧的瞬态耦合，消除了下游变换器级的接地回路，并允许通过选择变压器上的绕组方向来控制输出极性。PSpice中的瞬态模拟将向您展示一次侧的瞬态如何传播到一级稳压器输出，从而允许您评估系统的安全性。

规划PCB布局

从SPICE模拟中获得的结果对于规划直流系统中的配电至关重要。您的布局以电源/接地平面、通孔、电源轨道和实际组件的形式创建了另一层直流电流电阻。PCB布局的其他方面也需要考虑，以防止走线和组件温度过高。用于高压和大电流系统的直流和交流PCB布局的这些方面在IPC标准以及消费和商业产品的UL和IEC标准中有所规定。

为了符合IPC要求，在开始布局时需要考虑两点:走线中的电流密度和导体之间的间距作为它们之间电位差的函数。直流和交流电源系统中pcb的迹线宽度可以根据迹线中允许的温升来确定。这可以从IPC-2152诺姆图中确定;目标是确定PCB中使用的适当铜重量。

在不同电势下保持的导体之间的间距是指定的，目的是在操作过程中防止静电放电。这些关于间隙(视线间距)和爬电(单板表面间距)的规则在IPC-2221标准中规定。有一些简单的公式，可用于确定高压直流电力系统中最小间隙和爬电距离作为电压的函数。

您的PCB层压板需要镀上合适的铜重量，以防止在高直流电流电源系统中温度过高。

一旦你为你的电路板确定了正确的铜重量、线宽、导体间距和热管理策略，Allegro的设计工具可以帮助你创建完美的PCB布局。一个强大的有限元多物理场模拟器也可用于检查气流和热量如何在整个系统中移动，以帮助保持凉爽。最后，PDN分析仪对于识别导体中的特定热点是有用的，因为这些无法从原理图中识别。Cadence的设计工具提供了为电力系统创建PCB布局以及执行SPICE模拟所需的一切。