Simplis仿真应用干货分享-让你秒变技术达人

先定个调，我不是做学问的，研究仿真只是为了尽量与工程应用相结合，本帖只谈仿真与工程应用，只谈仿真与工程应用，只谈仿真与工程应用，重要的事情要说三遍！并且尽量不出现大段的文字（我可以老实交代，我口才不好么），上图，上波形，上源文件！（由于公司的保密机制，不涉及实际产品）

再列个提纲：（所有的仿真均为Circuit Level 以及Systerm Level，不涉及Component Level）

第一部分：

1.Simplis在拓扑控制中的应用
1.1仿真的要素
1.1.1 脉宽发生器（调宽/调频/移相）
1.1.2 磁元件（电感以及变压器的损耗模型）
1.1.3 功率半导体
1.1.4 驱动线路（死区控制、隔离变压器）
1.1.5 误差放大器（Type II，TypeIII）
1.1.6 光耦
1.1.7 软启动控制
1.2拓扑控制（均为闭环控制）
1.2.1 有源钳位正激及其同步整流控制
1.2.2 有缘钳位反激
1.2.3 有缘钳位正反激及其同步整流
1.2.4 移相全桥及其同步整流控制
1.2.5 半桥（全桥）谐振LLC
1.2.6 Buck LLC两级架构
1.2.7 Boost LLC两级架构
1.2.8 硬开关全桥及其同步整流控制
1.2.9 电流模式控制LLC
1.2.10 三电平控制LLC
1.3Simplis波形查看以及与Mathcad的组合使用
1.3.1 关键点波形查看
1.3.2 Mathcad波形计算以及功率器件损耗分析

第二部分：
2.Simplis在环路控制中的应用
2.1 与环路控制相关的6要素
2.1.1 音频隔离度
2.1.2 输入阻抗
2.1.3 输出阻抗
2.1.4 Loop Gain
2.1.5 动态响应
2.1.6 滤波器阻抗

2.2 Simplis与Mathcad组合使用进行环路控制

2.2.1 Simplis考察功率级小信号
2.2.2 Mathcad导入功率级小信号数据以及环路补偿控制
2.2.3 计算、仿真、实验室实测交互验证

为了方便叙述，先列举一个仿真的例子（TL HB LLC）：

Schematic：

Transient分析：

环路Bode分析：

1.1仿真的要素（备注：需要下载的请来原文下载）

1.1.1 脉宽发生器（调宽/调频/移相）
A.调宽---UC3843（用于单管控制，以及互补驱动控制，以及同步整流驱动控制），UC1825（用于应开关半桥\全桥），以及UCC28251（在1825的模型基础上改的用于应开关全桥的同步整流控制），仿真软件自带模型；
B.调频---UCC25600（whereismycat版主所建模型）；

C.移相---UCC28950（基于UC3895改的）。

1.1.2 磁元件（电感以及变压器的损耗模型）

建立开关电源核心元件的变压器模型（T模型）：

其中，L2模拟初级侧漏感，R9模拟初级线圈的线损，R12模拟变压器的磁损，L3为变压器的励磁电感，变压器为理想变压器。R17、R37模拟次级线圈的线损。

1.1.3 功率半导体
高低压功率MOS，元件库自带，用到之时选一下就OK了。

1.1.4 驱动线路（死区控制、隔离变压器）

A.互补驱动（带死区控制）
实现方式，UC3843的PWM输出用逻辑非门芯片取反，然后利用RCD做死区，经驱动IC HIP2101（仿真软件自带驱动芯片模型），得到两路带死区的互补驱动信号PWM1和PWM2，如下图所示：

该电路可用来做同步Buck，同步Boost，以及forward同步整流、flyback同步整流、有源嵌位驱动、不对称半桥及其同步整流的驱动信号。

B.变压器驱动
按照一般的驱动IC 隔离变压器的思路，用软件自带的HIP2101（或者两只NPN、PNP对管构成的图腾柱） 1:1:1变压器（线圈电感取300uH～2mH之间均可）：

仿真，就是要尽可能地重现实际电路的工作状况，进一步，可以给隔离变压器加上漏感、DCR等参数，该驱动线路可用于驱动LLC，移相全桥，Boost同步整流管，Buck等浮地的开关管。

1.1.5 误差放大器（Type III）

 在下面出现的仿真电路中，用到的所有误差放大器均为Type III（兼容Type I，Type II）:

1.1.6 光耦
所用到的光耦模型从官网下载的，是个简化的一阶模型（对于带宽不超过20kHz的电源，一阶模型已经足够准确了；此外CTR可根据需要做适当修改）。

1.1.7 软启动控制
参照模块电源软启动电路的常规做法，所有仿真的软启动控制均采用初级软起 次级软起的方式进行控制（软启动的控制方法有很多，有机会单独讨论）。

大致阐述一下基本原理：以UC3843为例（其他的控制IC原理大同小异），系统上电后，由于能量还没有传到副边，此时首先由原边控制软启动，即comp引脚电压缓慢上升（芯片自带或者外加控制线路实现该功能），对应的PWM占空比从小到大慢慢展开，在很短的时间内（ms级）副边的辅助电源电压首先建立，此时运放、光耦开始工作，原边软起线路的使命完成，副边软启动线路开始起作用，TLV431基准电压与副边辅助源电压几乎同时建立，而后该电压通过一个RC（时间常数灵活可调）连接到误差放大运放的同相端。同相端的时域波形如上图绿色线所示，在环路参数合理的条件下，反相端的波形会跟随同相端的波形（如上图所示），而输出电压与反相端波形成正比，于是就实现了软启动。

 

我觉得，大部分拓扑控制的仿真，可以分解成以上几个要素。就好比搭积木，有了这些基础材料，就可以搭建“高楼大厦”了。下面开始阐述如何“搭积木”。

1.2拓扑控制（均为闭环控制）
1.2.10 三电平控制LLC（2015.11.18）
老实交代，我从没做过三电平LLC，源自于拜读了maileyang大侠的日志，并从中得到启示，手痒难耐，试了一把。具体原理参考浙江大学的一篇论文（不知道如何下载，特将连接附上：http://www.doc88.com/p-8989999790989.html）。
仿真的第一个工程应用价值：可以快速地、有效地、立体化地理解电力电子科技文献的内容。

参考论文的两张图：

有了拓扑，有了控制逻辑，就可以开始搭积木了。

A.拓扑，比葫芦画瓢抄一遍，并根据文章提供的计算参数设定变压器、谐振电感、电容等。

B.控制逻辑，看图看重点，关键点有两条，第一条是S1，S2同时导通，S3，S4同时导通；第二条是S1比S2先关断，S4比S3先关断----典型的死区控制电路就能实现，如下：

C.控制IC，LLC是典型的调频控制----控制器有了，UCC25600。

加上光耦，软启动控制，误差放大器，就齐活儿了，于是乎：

限于篇幅，这个就不再贴关键点波形了，上传仿真源文件：

1.2拓扑控制（均为闭环控制）

1.2.1 有源钳位正激及其同步整流控制（2015.11.20）
我接触过的有源嵌位正激，其钳位方式大致有两类，分别是N管钳位和P管钳位（又叫做高端钳位和低端钳位）：

先看低端钳位：
A.拓扑----实际电路怎么搭，在simplis中就怎么画。（当然了，所有的电源在设计之初都要经过一番仔细的计算，主要计算的项目包括：磁元件、功率器件应力、损耗分析等，算完之后就可以在仿真软件正设定对应的参数了。正常情况下，仿真与计算的结果是大差不差的，如果偏差比较离谱，那说明您的仿真、计算，必有一个是错的）

仿真的第二个工程应用价值：在产品开发的初期concept阶段，可以与MathCAD的计算结果交互验证。

B.控制时序----只要电路拓扑中的MOS管超过两个（并联的不算），就得考虑时序问题。通常，MOS导通的时序包括对称、互补等，总结一句话就是死区控制。对于P管钳位的有缘钳位正激，先看钳位管与主管的控制时序：

P管GS为负压时导通，所以要用如上图所示的Cc和二极管处理一下，原理很简单，当Out2为高电平时，P管关断，反之则导通。（其实无论N管钳位还是P管钳位，钳位管与主管都是互补带死区导通的关系）。

我们的关注点是如何产生两个PWM信号，使得OUT2先于OUT1出高电平，而又滞后于OUT1出低电平，很简单：

C.同步整流控制方式，Active Clamp Forward同步整流的控制方式非常多，在专利检索网站搜一下forward synchronization关键词，不会少于10个同步整流控制方面的专利，但没有哪种同步整流的控制方式是完美的，成本、性能、可靠性等因素的折中，当然，实际产品开发中可能还需要考虑专利规避的问题，这都是后话了。在这里，只聊两种没有专利壁垒的同步整流的控制方式，一种是最简单的自驱，另一种是基于死区控制的外驱动。

最简单的自驱动同步整流方式：（优缺点网上一搜一大把，略）

基于死区控制的同步整流方式（如果排除成本的因素，这种方式几乎可以应用于所有的PWM类变换器的同步整流，如非隔离的Buck、Boost、cuk、sepic，隔离的forward、flyback、半桥、全桥、PSFB等，至于谐振类变换器的同步整流方式，有点难搞，我亦没有专门研究过）。原理同样也很简单，即在4楼1.1.4节的死区电路后面再加一个隔离变压器驱动同步整流管，或者在该死区电路的前面加一个高速数字信号隔离器即可。

D.峰值电流模式（先讨论电流模式，电压模式以后有空再说）----主要涉及一个电流采样的问题，常规的做法大致有两种：一种是在主MOS的S对地加采样电阻（若遇见大电流场合，需要用很小的采样电阻，然后加一级运放放大，但这种方式对运放有着十分苛刻的要求），此时GS尖峰电流会引入进来，需要做好吸收；另一种是用电流互感器（若遇到大电流场合，互感器也是个麻烦事儿，可能需要定制）。
E.主控IC---一个良好的设计，不应该对器件有过高的要求，simplis中提供的IC模型只有几个，但都很经典，用UC3843好了（本帖后面用到的所有PWM类变换器的仿真，几乎都是在该芯片基础上搭起来的）。
效果：

Transient分析：

环路稳定性分析：

至于N管钳位，就很简单了----此时钳位管（N管）与主管是互补导通的---又是死区控制，想想没必要再拿来说一遍，略。