使用PSpice的电力系统中的大电流直流电压管理

2020-06-17

每位电气工程师都应通过学习直流电源，欧姆定律和整个电路的电源分配来开始电子学教育。当您考虑在电路图中表示真实组件的简化方法时，与交流电源系统相比，直流电压和电流看起来很简单。实际上，直流电源系统会变得非常复杂，非常快速，设计人员需要考虑其系统中的电气和热安全性。

每个数字和模拟系统都需要一个板载电源，但是用于电力电子系统的板可以成为自己的成果。如果您正在设计直流电源系统，或者需要用于AC-DC转换的系统，则需要考虑系统的安全性和温度，尤其是在大电流下运行时。“大电流”一词似乎有些武断，但是系统中的电流将确定不同组件的安全性和温度升高，因为它决定了散发为热量的DC功率。

PCB中的大电流直流电压管理始于原理图。目的是检查系统中不同组件之间的电压降如何以及在高电流下会消耗多少功率。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之类的组件可能会达到高温，或使用户遭受输出冲击。

直流稳压器级

电力系统本身可能需要多个调节器级。目标是采用不受管制的，可能有噪声的直流电源，并将其转换为具有固定电压/电流的稳定直流输出。当涉及到高直流下的高压电源电路时，市场上很少有集成电路集成了直流电源转换所需的所有组件，因此您必须在输入调节器级上使用单独的分立组件。这是这些系统很大的原因之一。分立元件需要布置在PCB上，以便为板上的风扇或散热器腾出空间。

在原理图中，您需要使用分立元件构建稳压器电路，并模拟到达输出的电压/电流。可以使用PSpice中的瞬态分析来计算每个调节器级提供的功率。通过将每个阶段的输出功率与输入功率进行比较，可以确定电路的效率。设计良好的开关稳压器应具有远高于95％的效率。您可以在相关文章中阅读有关设计和模拟各种开关稳压器拓扑的更多信息。

大电流DC降压转换器的原理图

使用PSpice中的仿真工具，可以在直流稳压器级中进行以下仿真：

输出电压，电流和功率。为此，只需放置理想的负载分量（上图中的RL）并进行瞬态分析。这将向您展示输出电压，功率和电流如何上升以达到稳态。只需在输出上放置探头，或添加波形。有关上述电路中电感器的示例电压波形，请参见下图。

电阻元件的功耗。您的目标是检查电阻组件的功耗是否不超过绝对最大额定功率。然后，每个组件的功耗将确定其温度升高。您可以通过将组件温度系数作为零件参数包含在PSpice原理图中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，您可以查看系统输出的变化方式，并可以确定最大输入电压。这应该与上一点结合起来，因为增加输入电压会增加跨不同组件的功耗。对于开关MOSFET，如果输入电压超过晶体管负载线的线性范围，则输出将饱和。

直流稳压器中的输出电压电平和电感器电流

瞬态分析使您可以看到输出纹波，稳定的电压电平以及电压纹波与其他组件中的电压/电流的比较。下面显示了在上述调节器级中将输出电压与电感器电流进行比较的示例。下图还显示了低输入电压的结果。扫描输入电压时，您可以生成多个图形并确定电压电平何时停止增加（即，稳压器中的MOSFET何时饱和）。

在上述电路中以及在DC-DC转换器设计中要考虑的重要一点是电容器中的寄生效应。电容器引线中的串联电感和电阻会导致所有电容器表现出自谐振，这意味着电容器的功能类似于串联RLC电路。您可以使用PSpice中的扫频模拟来确定电容器的自谐振频率。电容器的自谐振频率应大于PWM信号的拐点频率，以确保输出电压上的低纹波。

确定DC-DC阶段的电压和电流后，您需要考虑电路 

用于大电流AC-DC转换的隔离和PFC电路

如果要构建从交流输入转换成的大电流直流电源系统，则在输入上需要整流器。为了很大程度地提高开关稳压器级的输出效率，您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吸收稳定的电流。开关稳压器会在短时间内产生电流，因此输入功率级的电流不会像干净的正弦波。取而代之的是，它会流向下游调节器级的电流很小。

PFC电路的目的是确保流向下游开关调节器的电流类似于正弦波。PFC电路在整流器的输出端使用一个电感器，以抑制开关调节器吸收的任何电流。当电流突发流过PFC级的输出时，电感器会产生反电动势，这会减慢到达稳压器级输入的电流上升。典型的拓扑如下所示：

用于大电流AC-DC转换的PFC拓扑

甲PWM信号用于切换的MOSFET（见S上文），这引起电容器的充电和放电。PFC电路的输出电平和波形将取决于PWM占空比。输入电感器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波纹的正弦波。

就像DC-DC转换阶段中的各个调节器阶段一样，您应该对输出进行瞬态分析，以检查电流波形类似于带有波纹的正弦波，并且应该将输入功率与输出功率进行比较以计算效率。还应模拟电阻组件的功耗，并且应检查额定功率和温度是否超过最大值。

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在PFC级之前通过变压器和整流器馈电，以降低电压。在输入直流稳压器上使用反激转换器具有许多好处。首先，将第一直流调节器级的初级和次级侧电隔离。这样可以减少来自初级侧的瞬态耦合，消除下游转换器级中的接地环路，并允许通过选择变压器上的绕组方向来控制输出极性。PSpice中的瞬态仿真将向您展示初级侧的瞬态如何传播到第一级调节器输出，从而使您能够评估系统的安全性。

规划您的PCB布局

从SPICE仿真中获得的结果对于规划DC系统中的功率分配至关重要。您的布局以电源/接地层，过孔，电源轨和实际组件的形式在直流电流中形成了另一层电阻。PCB布局的其他方面也需要加以考虑，以防止走线和组件的温度过度升高。IPC标准以及消费和商用产品的UL和IEC标准规定了用于高压和大电流系统的DC和AC PCB布局的这些方面。

为了符合IPC，开始布局时要考虑两点：走线中的电流密度和导体之间的间距，取决于它们之间的电势差。可以根据走线允许的温升来确定DC和AC电源系统PCB的走线宽度。然后可以从IPC-2152诺模图确定。目的是确定要在PCB中使用的合适的铜重量。

规定了保持不同电位的导体之间的间距，目的是防止操作过程中产生静电放电。这些间隙（视线间距）和爬电距离（板表面间距）的规则在IPC-2221标准中指定。有一些简单的公式可以用来确定高压直流电源系统中最小间隙和爬电距离与电压的关系。