基于PSpice的电力系统大电流直流电压管理

2020年6月16日

你能带走的

直流配电就是跟踪整个系统的电压下降。
在大电流下，电阻元件上的显著电压降会将电能转化为热量，从而导致温度升高。
如果您可以在创建PCB布局之前识别热组件，您可以确定是否需要风扇、散热器或更积极的冷却措施在您的电路板。

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教育的。当你考虑在电路图中以简化的方式表示实元件时，直流电压和电流似乎比交流电力系统简单。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能是它们自己的野兽。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，你需要考虑你的系统的安全性和温度，特别是当它运行在大电流。术语“大电流”可能看起来有点武断，但在一个系统中的电流将决定不同组件的安全性和温升，因为它决定了直流功率作为热量消散的数量。

pcb中的大电流直流电压管理在原理图中启动。目标是检查系统中不同组件的电压下降情况，以及在大电流下耗散了多少功率。在高压/大电流系统中，电阻、变压器、开关fet和其他驱动或控制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，有SPICE仿真工具可以用来检查直流电力系统设计的这些方面，并确定正确的布局选择。

直流调节器阶段

电力系统本身可能需要多个调节级。我们的目标是将一个不受控制的、可能有噪声的直流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，市场上很少有集成直流电源转换所需的所有组件的ic，所以你必须在输入稳压器阶段使用单独的分立组件。这是这些系统相当大的一个原因;为了给电路板上的风扇或散热器留出空间，需要将离散的组件放置在PCB上。

在原理图中，需要从离散组件构建稳压器电路，并模拟达到输出的电压/电流。利用PSpice软件中的暂态分析，可以计算出各级调节器所提供的功率。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高于95%。你可以阅读更多关于设计和模拟各种开关调节器拓扑在相关的文章．

大电流直流buck变换器原理图

以下是你可以在PSpice中模拟直流调节器阶段的模拟工具:

输出电压、电流和功率。要做到这一点，只需放置一个理想的负载组件(上图中的RL)并运行一个瞬态分析。这将向您展示输出电压、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。上述电路中电感器的电压波形示例见下图。
电阻元件的功率损耗。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。您可以通过在PSpice示意图中包括组件温度系数作为部件参数来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，并可以确定最大输入电压。这应该与前面的点相结合，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的线性范围，输出将饱和。

瞬态分析可以让你看到输出上的纹波，稳定的电压水平，以及电压纹波与其他组件的电压/电流的比较。下面是一个比较输出电压和电感电流在上述调整阶段的例子。下图还显示了低输入电压的结果。当扫描输入电压时，可以生成多个图，并确定电压水平何时停止增加(即，当稳压器中的MOSFET饱和时)。

直流稳压器的输出电压水平和电感电流。

在上述电路中，以及在DC-DC变换器设计中，需要考虑的一个重要问题是电容中的寄生现象。电容器引线的串联电感和电阻造成了全部电容器表现出自我共振，这意味着电容器的功能就像一个系列RLC电路。可以确定电容的自共振频率使用频率扫描在PSpice软件仿真。电容自谐振频率应大于PWM信号的膝关节频率，以保证输出电压纹波小。

一旦你确定了直流-直流阶段的电压和电流，你需要考虑你的电路如何

大电流交直流转换的隔离和PFC电路

如果你正在建立一个大电流直流电源系统，从一个交流输入转换，那么你需要一个整流器在输入。为了最大限度地提高开关稳压器的输出效率，可能需要使用功率因数校正(PFC)电路来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抽取电流，因此输入功率阶段的电流不会像一个干净的正弦波。相反，它将表现为流过下游稳压级的小爆发电流。

PFC电路的关键是确保到达下游开关稳压器的电流类似于正弦波。PFC电路在整流器的输出端使用电感器来抑制开关稳压器产生的任何电流。当电流突发流过PFC阶段的输出，电感器产生一个反电动势，减缓电流上升到达调节器阶段的输入。典型的拓扑如下图所示:

用于大电流交直流转换的PFC拓扑。

一个脉宽调制信号用于MOSFET的开关(见上面的S)，使电容器充放电。PFC电路的输出电平和波形取决于PWM占空比。输入电感减缓到达电容的输入电流的涨落，这使得到达稳压器输入的电流类似于带有一些波纹的正弦波。

就像DC-DC转换阶段的各种稳压器一样，你应该对输出进行瞬态分析，检查你的电流波形是否像带纹波的正弦波，你应该比较输入功率和输出功率来计算效率。电阻元件还应模拟功耗，并应检查额定功率和温度不超过最大值。

在您的大电流直流电源系统中，要考虑的其余方面是交流电源的隔离。大功率交流电源通常通过PFC级前的变压器和整流器来降压。使用一个回程转换器对输入直流调节器提供了几个好处。首先，第一级直流稳压器的初级和次级侧是电隔离的。这减少了一次侧的瞬态耦合，消除了下游变换器阶段的接地回路，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瞬态是如何传播到一级调节器输出的，这使您可以评估系统的安全性。

规划PCB布局

从SPICE模拟得到的结果对于规划直流系统的功率分配是至关重要的。您的布局以电源/接地面、通孔、电源轨道和真实组件的形式创建了另一层对直流电流的电阻。PCB布局的其他方面也需要考虑，以防止痕迹和组件的温度过高。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标准以及消费者和商业产品的UL和IEC标准中有所规定。

为了符合IPC，在开始布局时需要考虑两点:导线中的电流密度和导线之间的电位差的函数。用于直流和交流电源系统的pcb的迹线宽度可以根据迹线的允许温升来确定。这可以从IPC-2152 nomograph中确定;目标是确定PCB中使用的适当铜重量。

不同电位下的导体之间的间距是为了防止操作过程中的静电放电。这些关于间隙(视线间距)和爬电(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以用来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层压板需要镀适当的铜重量，以防止过高的温度上升在您的高直流电流电源系统。

一旦您确定了合适的铜重量、线宽、导体间距和热管理策略，Allegro中的设计工具可以帮助您创建完美的PCB布局。一个强大的有限元多物理模拟器也可用于检查气流和热量如何在您的系统中移动，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非常有用，因为这些热点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。