TPS54310的平均SPICE模型的建立與應用

同步整流管模型的構建

TPS54310同步整流管模型簡化地用具有更小正向電壓降的肖特基二極管來模擬。對理想二極管，正向電壓降的公式：

（圖9）同步整流管模型的I-V仿真特性曲線

一般用增大飽和電流IS的辦法建立肖特基二極管的模型。用ICAP4軟件包中的模型提取工具 SpiceMod，可以快速地建立同步整流管模型，如下： .MODEL D_SYNC D (IS=3.99M RS=2.8M N=1 CJO=10P VJ=0.75 M=0.333 TT=1.0N)。

（圖9）是仿真的同步整流管模型I-V特性曲線。

可以看出，當電流為3A時，正向電壓降為0.18V。

這個結果與TPS54310的同步整流管在3A時的壓降3*0.059=0.177V是吻合的。

最終建立的TPS54310的平均SPICE模型內部電路見（圖10），（圖11）是對應的宏模型塊的符號，供畫仿真電路圖時調用。定義的6個管腳除VERR外，都與TPS54310的實際管腳一致。管腳VERR用來在開環交流小信號仿真時插入交流信號源。TPS54310的模型需輸入四個參數：開關頻率FS，儲能電感值L，儲能電感的歐姆電阻RS，高頻開關管的導通電阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE網絡文件見附件。

（圖11）TPS54310宏模型塊符號

3 TPS54310的平均SPICE模型的驗證與應用

為了驗證模型的正確性，用TI公司提供的專用設計軟件SWIFT? Designer 2.01設計了五種DC-DC變換電路，然后利用前面所建的TPS54310模型，構成同樣的DC-DC變換器的仿真電路，在ICAP4軟件上進行直流分析和交流小信號分析，比較這兩種方法獲得的數據，見（表1）?？梢钥闯?，二者的差別非常小。因此有理由認為，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。

（圖10）TPS54310的平均SPICE模型內部電路

表一

（圖12）TPS54310演示板直流和交流小信號仿真電路

（圖13）

（圖15）負載瞬態響應仿真波形

（圖16）輸入音頻擾動衰減率與頻率的關系曲線

（圖14）TPS54310演示板負載瞬態響應和輸入音頻擾動衰減率仿真電路

下面，利用前面所建的TPS54310平均 SPICE模型對TI公司提供的演示板電路進行全面的仿真分析。直流和交流小信號分析的仿真電路見（圖12），直流工作點標注在圖上。得到的系統的開環頻率特性（幅頻和相頻）見（圖 13）。環路增益交越頻率為44KHz，過0dB 時，相移為83.1度，證明該電源系統是穩定的。（圖14）是仿真負載瞬態響應和輸入音頻擾動衰減率的電路圖。注意仿真技巧，C3 由（圖12）的1kF變為1pF,相當于交流開路節點8和4；同時，L1 由（圖12）的1gH變為1pH,相當于交流短路節點8和5，形成閉環。分段線性源ILoad模擬負載電流的瞬間突變（在1us內跳變3A）。（圖15）是負載瞬態響應波形。在電源輸入端插入1Vac 的交流電壓源，在節點9得到如（圖16）所示的輸入音頻擾動衰減率與頻率的關系曲線，反映了系統對小信號正弦波輸入電壓擾動的抑制能力。為了研究系統對負載擾動的抑制能力，在輸入音頻擾動衰減率與頻率的關系曲線負載瞬態響應仿真波形輸出端插入1Aac的交流電流源（仿真電路略），在節點9可得到閉環輸出阻抗，見（圖17）。至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已對TI公司提供的演示板電路進行了較全面的動態指標的仿真分析，包括穩定性，快速性和抗擾動性，這是TI的設計軟件SWIFT? Designer 2.01所不能給出的。

（圖17）閉環輸出阻抗與頻率的關系曲線

4. 總結

建立TPS54310平均SPICE模型的意義在于，只需要廠家公開的電源IC的技術資料，就能提取具有相當準確度的模型，方便設計者在制作出實際的電路之前，對電源的性能，特別是動態性能做出全面的評估，從而指導設計者對電源進行優化。而且比起開關模型來說，占用機時少，有很高的仿真效率。對比廠家給出的原始設計軟件，運用平均SPICE模型在通用電路分析軟件上仿真更靈活，更強大，應該是原始設計軟件必不可少的補充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流BUCK型DC-DC模塊平均SPICE模型的通用電路框架，具有一定的普遍性。稍微調整幾個模型參數，就可以建立TI公司整個SWIFT電源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。對其他廠家的電源IC產品，通過適當修改也可以方便地建立它們的平均SPICE模型。