开关电源SPICE仿真与实用设计(一)

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开关电源SPICE仿真与实用设计详细介绍了DCDC电源电路升降压模型和各种模式以及SPICE仿真
序出 2001年7月间,电子工业出版社的领导同志邀请各高校十几位通信领域方面的老师,商量引进 国外教材问题。与会同志对出版社提出的计划十分赞同,大家认为,这对我国通信事业、特别是对 高等院校通信学科的教学工作会很有好处。O人m 教材建设是高校教学建设的主要内容之一。编写、出版一本好的教材,意味着开设了一门好的 课程,甚至可能预示着一个崭新学科的诞生。20世纪40年代MT林肯实验室出版的一套28本雷 达丛书,对近代电子学科、特别是对雷达技术的推动作用,就是一个很好的例子。 我国领导部门对教材建设一直非常重视。20世纪80年代,在原教委教材編审委员会的领导下, 汇集了高等院校几百位富有教学经验的专家,编写、出版了一大批教材;很多院校还根据学校的特点 和需要,陆续编写了大量的讲义和参考书。这些教材对高校的教学工作发挥了极好的作用。近年来, 随着教学改革不断深入和科学技术的飞速进步,有的教材内容已比较陈旧、落后,难以适应教学的要 求,特别是在电子学和通信技术发展神速、可以讲是日新月异的今天,如何适应这种情况,更是一个 必须认真考虑的问题。解决这个问题除了依靠高校的老师和专家撰写新的符合要求的教科书外,引 进和出版一些国外优秀电子与通信教材,尤其是有选择地引进一批英文原版教材,是会有好处的。 年多来,电子工业出版社为此做了很多工作。他们成立了一个“国外电子与通信教材系列 项目组,选派了富有经验的业务骨干负责有关工作,收集了230余种通信教材和参考书的详细资料 调来了100余种原版教材样书,依靠由20余位专家组成的出版委员会,从中精选了40多种,内容 丰富,覆盖了电路理论与应用、信号与系统、数字信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等 方面,既可作为通信专业本科生和研究生的教学用书,也可作为有关专业人员的参考材料。此外, 这批教材,有的翻译为中文,还有部分教材直接影印出版,以供教师用英语直接授课。希望这些教 材的引进和出版对高校通信教学和教材改革能起一定作用 在这里,我还要感谢参加工作的各位教授、专家、老师与参加翻译、编辑和出版的同志们。各 位专家认真负责、严谨细致、不辞辛劳、不怕琐碎和精益求精的态度,充分体现了中国教育工作者 和出版工作者的良好美德。 随着我国经济建设的发展和科学技术的不断进步,对高校教学工作会不断提出新的要求和希 望。我想,无论如何,要做好引进国外教材的工作,一定要联系我国的实际。教材和学术专著不同, 既要注意科学性、学术性,也要重视可读性,要深入浅出,便于读者自学;引进的教材要适应高校 教学改革的需要,针对目前一些教材内容较为陈旧的问题,有目的地引进一些先进的和正在发展中 的交叉学科的参考书;要与国内出版的教材相配套,安排好出版英文原版教材和翻译教材的比例。 我们努力使这套教材能尽量满足上述要求,希望它们能放在学生们的课桌上,发挥一定的作用 最后,预祝“国外电子与通信教材系列”项目取得成功,为我国电子与通信教学和通信产业的 发展培土施肥。也恳切希望读者能对这些书籍的不足之处、特别是翻译中存在的冋题,提出意见和 建议,以便再版时更正。14后对高容 已别的钟张:摩快干研平木平出 ,(中他, 中国工程院院士、清华大学教投 “国外电子与通信教材系列”出版委员会主任 出业工 出版说明 进入21世纪以来,我国信息产业在生产和科研方面都大大加快了发展速度,并已成为国民经 济发展的支柱产业之一。但是,与世界上其他信息产业发达的国家相比,我国在技术开发、教育培 训等方面都还存在着较大的差距。特别是在加入WTO后的今天,我国信息产业面临着国外竞争对 手的严峻挑战。 作为我国信息产业的专业科技出版社,我们始终关注着全球电子信息技术的发展方向,始终把 引进国外优秀电子与通信信息技术教材和专业书籍放在我们工作的重要位置上。在2000年至2001 年间,我杜先后从世界著名出版公司引进出版了40余种教材,形成了一套“国外计算机科学教材 系列”,在全国高校以及科研部门中受到了欢迎和好评,得到了计算机领域的广大教师与科研工作 者的充分肯定。 引进和出版一些国外优秀电子与通信教材,尤其是有选择地引进一批英文原版教材,将有助于 我国信息产业培养具有国际竟争能力的技术人才,也将有助于我国国内在电子与通信教学工作中掌 握和跟踪国际发展水平。根据国内信息产业的现状、教育部《关于“十五”期间普通高等教育教材 建设与改革的意见》的指示精神以及高等院校老师们反映的各种意见,我们决定引进“国外电子与 通信教材系列”,并随后开展了大量准备工作。此次引进的国外电子与通信教材均来自国际著名出 版商,其中影印教材约占一半。教材内容涉及的学科方向包括电路理论与应用、信号与系统、数字 信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等,其中既有本科专业课程教材,也有研究生课程教 材,以适应不同院系、不同专业、不同层次的师生对教材的需求,广大师生可自由选择和自由组合 使用。我们还将与国外出版商一起,陆续推出一些教材的教学支持资料,为授课教师提供帮助。 此外,“国外电子与通信教材系列”的引进和出版工作得到了教育部高等教育司的大力支持和 帮助,其中的部分引进教材已通过“教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导委员 的审核,并得到教育部高等教育司的批准,纳入了“教育部髙等教育司推荐—国外优秀信息科学 与技术系列教学用书”。 为做好该系列教材的翻译工作,我们聘请了清华大学、北京大学、北京邮电大学、南京邮电大 学、东南大学、西安交通大学、天津大学、西安电子科技大学、电子科技大学、中山大学、哈尔滨 工业大学、西南交通大学等著名高校的教授和骨干教师参与教材的翻译和审校工作。许多教授在国 内电子与通信专业领域享有较高的声望,具有丰富的教学经验,他们的渊博学识从根本上保证了教 材的翻译质量和专业学术方面的严格与准确。我们在此对他们的辛勤工作与贡献表示衷心的感谢。 此外,对于编辑的选择,我们达到了专业对口;对于从英文原书中发现的错误,我们通过与作者联 络、从网上下载勘误表等方式,逐一进行了修订;同时,我们对审校、排版、印制质量进行了严格 把关。面许中题 今后,我们将进一步加强同各高校教师的密切关系,努力引进更多的国外优秀教材和教学参考 书,为我国电子与通信教材达到世界先进水平而努力。由于我们对国内外电子与通信教育的发展仍 存在一些认识上的不足,在选题、翻译、出版等方面的工作中还有许多需要改进的地方,恳请广大 师生和读者提出批评及建议。 ,上P 出”民是林 电子工业出版社 教材出版委员会 主任吴佑寿中国工程院院士、清华大学教授 副主任林金桐北京邮电大学校长、教授、博士生导师 杨干里总参通信部剧部长,中国电子学会会士、副理事长 中国通信学会常务理事、博士生导师 委员林孝康清华大学教授、博土生导师、电子工程系副主任、通信与微波研究所所长 教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会委员 P徐安士 北京大学教授、博土生导师、电子学系主任 12樊昌信 西安电子科技大学教授、博士生导师 得大出 中国通信学会理事、IEEE会士 程时旷东南大学教授、博士生导师的个求即 个个郁道银天津大学副校长、教授、博士生导师 死份教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会委 北京交通大学教授、博士生导师 园计算机与信息技术学院院长、信息科学研究所所长 国务院学位委员会学科评议组成员 张晓林北京航空航天大学教授、博士生导师、电子信息工程学院院长 教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会副主任委员 5是x0中国电子学会常务理事 郑宝玉南京郎电大学副校长、教授、博士生导师 教育部电子信息与电气学科教学指导委员会委员 朱世华西安交通大学副校长、教授、博士生导师 教育部电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会副主任委员 文电子科技大学教授、博土生导师、通信与信息工程学院院长 教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会委员 中青的 毛军发 木真的 上海交通大学教授、博士生导师、电子信息与电气工程学院副院长 教育部电子信息与电气学科教学指导委员会委员 点的。北京邮电大学教授、《中国邮电高校学报(英文版)》编委会主任 赵尔沅 原邮电科学研究院副院长、总工程师 的刘彩中国通信学会副理事长兼秘书长,教授级高工 信息产业部通信科技委副主任 杜振民电子工业出版社原副社长 王志功东南大学教授、博士生导师、射频与光电集成电路研究所所长 教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会主任委员 张中兆哈尔滨工业大学教授、博土生导师、电子与信息技术研究院院长 范平志西南交通大学教授、博土生导师、信息科学与技术学院院长 译者序 本书涉及两方面的内容—开关电源和电路仿真。就开关电源而言,它作为一种电子设备专 用电源,极受当今工程技术人员所关注。开关电源以其轻、薄、小和高效率的特点为人们所熟悉 是各种电子设备小型化和低成本化不可缺少的一种电源方式,已成为当今电源的主流。与此相应, 国内出版了许多介绍开关电源工作原理和设计的好书,大大方便了从事开关电源研究和设计的工 程技术人员。但美中不足的是,这类书籍的内容往往过于学术化,里面包含了过多的理论分析推 导,这使初涉开关电源设计领域的工作者望而却步。另外,这类书籍缺乏比较直观的、可供读者 直接进行训练的手段。本书的另一内容是 SPICE仿真。近十多年来,电力电子技术在国内外蓬勃 发展,相应的仿真方法和软件也大量出现,并得到了广泛应用。国内也出版了很多关于 SPICE仿 真的书籍,但内容大多限于介绍仿真的方法及仿真软件的操作,图书中所涉及的仿真电路大都是 比较常见的电路。这对于采用常规结构和参数、使用常用器件的成熟电路的仿真和设计是足够的, 但对于涉及复杂电路的仿真,如开关电源电路的仿真,就远远不够了。本书很好地解决了这个问 题。本书对开关电源的理论做了十分清晰但不复杂的分析推导,并给出了目前市场上流行的开关 电源拓扑的 SPICE模型及仿真结果,提供了多达600余幅插图,很好地搭起了理论和实际之间的 桥梁,使初学者能很快通过书中实例,应用仿真方法来体会电路的奥秘。同时熟练的设计者能从 书中找到许多设计和仿真过程中碰到的疑难问题的解决方法。 Baso先生是安森美公司位于法国图卢兹分公司的工程部经理,他在acdc和dedc开关电 源设计领域有独到的研究,是许多PwM控制器的研制者。他研制的NCP120X系列控制器已经 成为离线电源的待机功率标准。 SPICE仿真是他的另一特长,他在2001年就编写了《开关电源 SPICE伤真方法》一书,本书就是在该书的基础上,在许多方面进行了修改而成的。Baso先生 的 SPICE仿真水平,通过书中大量的独特的电路SPCE模型及仿真结果曲线可以体会到。正如 Ray Ridley博土在序中讲到的那样,Baso先生是世界上电源SPCE仿真领域中的著名专家,本 书应成为每个该领域工程技术人员的必备参考书。 译者1987年毕业于清华大学电子工程系电子物理与激光专业,从1996年开始在绍兴文理学院从 事教学工作,目前为物理与电子信息系教授,一直讲授“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“通信电 源”和“电子信息工程专业英语”等课程。在这些课程的教学过程中,逐渐熟练了SPCE仿真技术, 并对开关电源设计也有一定的研究。到目前为止,发表了与光电器件和电路SPCE仿真相关的论文 二十余篇,授权实用新型专利项。Baso先生的文章是译者一直认真研究的资料。当得知Bass先生 出版新书的消息后,意识到此书对国内广大从事开关电源设计的工程技术人员而言,是一本非常难得的 好书。译者主动与Baso先生取得联系,表示希望翻译此书,并得到了他的积极响应。在本书的翻译过 程中,与Bao先生通过Emll进行了多次交流,让译者从中受益匪浅。也希望本书让广大读者受益。 由于译者水平有限,错误之处在所难免,敬请读者指正。 吕章德 2009年2月 序 首先,来谈谈开关电源设计。这是一个很少能得到经费资助和专家关注、较冷门且很少有详 细规划安排的领域。但许多高档商业产品出现故障的原因是电源系统设计不合理。这类产品的故 障现在还在不断增加,使制造商和消费者受到极大的困扰。田已过 虽然开关电源电路的形式很简单,而成功地设计制造电源却从来不是一件简单的或直接的工 作,无论其他人是否同意这种说法。 Basso先生十分明白这一含义。在开关电源设计过程中,包 含许多层次的设计细节,如果忽略它们,将会导致电源设计的失败。本书用了很长的篇幅来解释 这些设计细节,这些解释对于电源设计者都是十分有用的中本四墨中 受命设计第一个电源的电气工程师,经常会转向求助于自己熟悉的仿真工具。当然,在制作电 源产品之前,看到熟悉的仿真波形对设计者而言是一个安慰。然而,这样做会产生很多问题。设计 者不应简单地把电路图用SPcE或其他软件进行仿真,并希望仿真结果告知有关设计的很多有用信 息。产品电路在尝试任何仿真之前必须要做仔细的修改。 中斗 basso先生清楚地解释了要得到期望结果所需的建模准则和进行电源仿真的不同方法。如果 设计者从没有用过 SPICE,在开关电源设计之前,设计者应该努力吸收本书模型中包含的十分有 价值的经验。Baso先生是世界上电源SPCE仿真领域中的著名专家,他非常郑重地指出,实验 室测试是必不可少的,未经验证的SPCE仿真结果是不能信赖的,仿真软件在设计过程中只能当 做辅助工具。值积,得货到, 电源设计一直是一个设计经验起重要作用的领域。没有一本书能从头到尾完整地解释各种应 用下的电源设计过程。BsSo先生采用了很规范的方法来详细介绍电源变换器以及由个人经验所 得的十分熟练的议题。如果设计者正在构建功率因数校正电路、正激和反激变换器或最常用的电 源拓扑,在开始设计之前,应该留意借鉴Bsso先生的聪明才智。密切注意Bsso先生所提的关 于半导体降额因子和安全工作区的建议。如果能把本书的这部分内容吸收到工业设计中,则电源 故障的概率会大大下降。 01)来 我强烈为从初级到高级的各层次的电源设计者推荐本书。本书应是每个实验室的必备书籍。 请阅读本书的每一页,运行每个仿真实例来完全理解Baso先生在书中所提的观点,吸收其有价 值的建议,尽快开始在实验室测试所设计的电源。 Ray ridley博士 的一常时两活全 Rdey工程公司 ,的克,,点 7 前言 本书在许多方面改写了《开关电源SPCE仿真方法》一书,因此,新书的题目中包括了“实 用设计”。当我开始重写时,意识到目前市场上有许多介绍开关电源的书籍。然而,这些书或者 过于学术化而没有与工业应用相联系,或者过于简单实际,而缺乏对设计实例中所使用的大多数 公式进行基础理论的讨论。本书尝试去填补以上两者之间的空白,在理论分析描述和实际设计之 间寻找平衡。例如,在第3章中,不仅描述了在许多相关教科书中可以找到的用运算放大器实现 的补偿技术,还介绍了在目前电源市场上所流行的用工业标准TL431实现的补偿方法。因此,学 生和设计工程师都可以在本书中找到相应的内容。有关分析的内容,公式的格式都采用了EEE 符号标准",而在《开关电源SPCE仿真方法》一书中没有做到这一点。本书中所提出的模型要 比前一本书中所采用的更好、描述也更透彻,同时考虑了一些读者给出的有关模型的观点。与前 一本书一样,章节中的例子可在多种流行的SPCE软件中运行,为读者提供了从例子中学习并取 得进步的简便方法。书中附带的光盘中包含了大量实例文件,而一些更复杂电路的文档另外提供。 对于希望体验目前市场上仿真软件的读者附带的光盘中包含了多种演示版本,如PSM、 Transim、 Tina、 Multisim、 Neusoft以及其他一些有趣的软件包。毒 读者朋友们,我花费了大量的时间来编写本书,通常是在晚上,这几乎持续了三年时间。尽管 在文字描述、方程推导及其他一些小的细节上用了全力,仍难免存在一些没能得到校正的拼写错误 希望读者通过我的网站指正,我的网站会经常更新,提倛新的仿真模型以及一些完整库文件的信息, 网址为http:/pagesperso-orange.fr/cbasso.Spice.hern。在此先向各位读者致谢。 我要真诚地感谢很多人。首先,要感谢亲爱的家庭成员,我的妻子Anne,以及两个可爱的孩 子 Lucile和Paul在我面对仿真过程中出现的不收敛问题或面对空白稿纸而缺乏勇气时,他们经 常要忍受我的情绪波动带给他们的困扰。我也要最诚挚地感谢亲爱的父母— Michele和Paul Basso在我14岁时,是他们给我买了第一个电源,培养我对电子电路的兴趣,并付出了很多次 跳闸的代价。我还要感谢我少年时期的老师,如来自 Clos-Banet Lycee的 Rene vinci和 Bennard Metral,他们给我这样好动的学生慢慢地灌输热情和知识。就在那时,我在《 Radio- plans》(1982) 杂志上发表了我的第一篇文章。感谢我的朋友 Claude ducros和 Christian Duchemin,他们是该杂 志的最后一任主编,现在这一杂志已经停刊。最后,感谢蒙彼利埃大学的 Claude Duchemin指引 我走上了开关电源之路。 本书的出版得到了许多人的帮助。在这些人中间,有安森美公司的同事兼朋友 Joel Turchi, 感谢他与我做了许多次的讨论并为我审阅了全部书稿;我也很幸运地能经常与一起工作的团队成 员进行讨论,他们是 Thierry Sutton、 Nicolas Cyr、 Stephanie Conseil和 francois hermite我还要 感谢市场部的朋友 Christophe Warin,他为我指出了许多拼写错误。 我的书稿审阅小组成员中包含了一些声望卓著的专家,我一直为能与他们一起工作而深感荣 幸。我把他们的名字列在下面,真诚地感谢他们,感谢他们为审阅我的书稿花费了大量时间。 ①译著中公式采用了国家标准,而单位与参数的表示方法与原著一致。—编者注 Vatche Vorperian博士,工作于美国加利福尼亚的喷气推进实验室(PL),他激发了我对PWM 开关的兴趣,感谢他花费许多时间审阅了我的书稿。 Richard redi博土,工作于瑞上的且i,多年来我参加了他组织的多个会议,感谢他为我书稿 的多个章节提出了很好的建议。 Ed Bloom,工作于e/ BLOOM联合公司,感谢他完整地审阅了我书稿的dcdc设计一章。 Raymond Ridley博土,工作于美国 Ridley工程公司,首先感谢他很友好地为本书写了序,然 后感谢他为书稿的许多章节提供了很好的建议。 Ivo Barbi博士,工作于巴西圣卡塔琳娜州联合大学电力电子技术研究所。感谢他为本书章节 的组织提供了很好的指导并为书稿做了许多校正。内个 Jeff hall, Dhaval Dalal和 Monsieur Mullett,感谢他们为磁设计部分提供了两个附录。他们三 位都工作于美国安森美公司 Christian zardini,工作于法国 ENSEIRB工程学校,感谢他仔细地审阅了我的一部分书稿。 Franki Poon和SC.Tan博士,他们分别工作于保和电力电子实验室有限公司和香港理工大学 (中国),感谢他们为我审阅了一些章节,并非常感谢他们的书面建议。1 Dylan Lu博土,工作于澳大利亚悉尼大学,感谢他审阅了我书稿的第I章。 Arnaud Obin,工作于法国Lord工程公司,感谢他为反激式变换器一章的书稿提供了很好的 建议。 强器合 V. Ramanarayanan博士,工作于印度班加罗尔的科技研究所电气工程部,感谢他为书稿的目 录提出了一些有趣的建议。 )回中 Jean- Paul ferrieux博士,工作于法国格勒诺布尔电子技术实验室,感谢他为书稿的功率因数 校正一章提供了很多有益的建议 Steve sandler,美国AB系统公司咨询师,感谢他在旅行过程中仔细地检查并编辑了书稿的 其中几章。 Balco博士,工作于法国安全电力系统公司,感谢他审阅了正激式变换器一章的书稿。 Pierre aloisi,法国前摩托罗拉应用工程师和功率元器件专冢,感谢他为书稿中的电气和热应 力部分提供了有趣的建议。 我还想感谢Imuo软件公司的员工Lamy和 Lise meares,以及他们的整个支持团队 ( George、 Farhad、 Everett和Tim).他们在本书大量例证电路的测试过程中为我提供了很大帮助。 我还想感谢书中附带光盘中包含的仿真软件的作者们,他们友好地同意我使用他们伟大的产品。 感谢 McGraw-Hil出版社的 Steve Chapman,为我提供了出版本书的机会。 最后,感谢 Miller一家, Noreen和 Steve,没有他们巨大的帮助,本书是很难出版的。他们 很艰难地校正了我带有法文风格的英文书稿。 Christophe basso 平开 中 人器 句计回和千 符号表 C 我界, 磁材料横截面面积 BOss曲漏源击穿电压=大合市一 B 磁介质内感应磁通密度 BCM个边界导通模式翻11+ M LACIE B 当磁场为零时剩余感应磁通密度 Bμ下降为1时的感应磁通密度工则, naas I CCM连续导通模式果(世门单,mF2所 CL 闭环 面的来常非,草当一1 C 电路中某点上存在的总电容 1CRM温临界导通模式 CTR 光耦合器电流传输系数 D或d变换器占空比,在DCM分析中也用4表示 D1的 D′或d 占空周期中的截止时间(d"=1-d) d, d3- DCM条件下占空周期中的截止时间1=d1+山+a3 DT 死区时间 所的 Da偏置点分析过程中的静态占空比AM0 电感纹波电流峰-峰值 ESR 等效串联电阻 ESL 等效串联电感 声中备 变换器效率 f 交叉频率(ITv)=0dB) F 个 开关频率 Fime补偿频率响应 输人电源频率 G(s) GA 所选交叉频率处的增益 磁介质中的磁通量 交叉频率f处的相位裕度 g 运算跨导放大器(OTA)的跨导 H 磁化力 使磁通密度回到零所需的矫顽磁场 la、l和l流入或流出PwM开关端点的平均电流 Ic 电容电流 二极管电流 MOSFET漏极电流 变换器输入电流 10

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