电源芯片建模与应用—基于SIMPLIS的设计实战

本书主要介绍电源芯片建模，从建模的意义与方法、建模所使用的软件、建模使用到的基本元器件、补偿电路原理与分析设计方法展开阐述，最后以几个实际电源芯片的建模过程为例介绍具体的建模思路与方法。全书分为8章，内容包括芯片建模概述、芯片建模软件SIMPLIS基础、芯片建模基本元器件与模块、芯片建模中的环路分析与补偿设计、降压稳压器建模实例、升压稳压器建模实例、功率因数校正控制器建模实例和反激控制器建模实例等。

本书可供从事电源芯片仿真与设计的工程技术人员参考，也可供电子信息类、自动化控制、电路与系统等相关专业的高校师生参考。

2017年毕业于苏州大学光电科学与技术学院，毕业后就职于德州仪器半导体技术有限公司（TI），从事电源芯片的系统、应用与市场方面的工作。现工作于北京奕斯伟计算技术有限公司，主要从事车载电源芯片相关工作。

本书具备工程实用性，配图和仿真过程下了功夫，付出了精力，能对开关电源设计工程师产生助益。

前言

电源系统是所有电子系统的动力源泉，是支撑电子系统运作和保证功能的重要组成部分。随着集成电路半导体产业的发展，基于半导体芯片设计和实现的电源系统占比越来越高，芯片的功能也越发完善和丰富。基于芯片的电源系统在体积、性能和保护等方面比传统方案更具优势。在此背景下，电源芯片产业蓬勃发展，国内外的研究机构和企业纷纷推出面向各类应用场景和功能的电源芯片。

各家企业和机构对电源芯片设计的方法论略有差异，但在电源芯片设计过程中，芯片建模无疑是一种性价比极高的方法。通过使用一些专业软件在项目开发初期搭建芯片行为模型，可以少走弯路，降低开发风险。关于芯片建模相关的知识，市面上暂无专业书籍介绍， 这对于一些从事电源芯片设计的工作者是一种遗憾。本书基于此情况，总结过往的学习和工作经验，梳理了芯片建模中的常用知识点，并举例说明如何进行实际建模。

本书力图采用清晰简洁的语言介绍相关知识点，采用SIMPLIS软件平台，亦可移植到类似的软件平台，希望能帮助到一些从事电源系统应用、设计和电源芯片设计的朋友。

本书共8章。第1章简要介绍电源系统和芯片建模； 第2章介绍芯片建模软件SIMPLIS的基本功能和使用方法； 第3章介绍芯片建模中常用的元器件和基本模块； 第4章介绍电源电路环路分析和补偿器原理、分析和设计； 第5章介绍降压稳压器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例； 第6章介绍升压稳压器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例； 第7章介绍功率因数控制器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例； 第8章介绍反激控制器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例。书中使用的芯片建模软件SIMPLIS自带电路元器件库，其电器符号不使用国标符号。对SIMPLIS软件生成的电路图不进行处理。SIMPLIS建模软件引脚和元器件符号由软件生成，不进行处理。

由于作者水平有限，书中难免存在不足或错误之处，敬请广大读者批评指正，在此表示衷心感谢！

作者

2023年7月于上海

目录

第1章芯片建模之概述

1.1电源系统简介

1.1.1电源芯片应用与意义

1.1.2电源芯片分类简介

1.1.3电源芯片系统组成简介

1.2芯片建模概述

1.2.1芯片的开发过程

1.2.2芯片建模的作用

1.2.3建模工程师的角色

1.2.4芯片建模方法论

1.3本章小结

第2章芯片建模基础之SIMPLIS简介

2.1什么是SIMPLIS

2.1.1SIMPLIS是时域仿真器

2.1.2PWL基本概念

2.1.3建立原理图

2.2SIMPLIS仿真模式

2.2.1Transient模式

2.2.2POP模式

2.2.3AC模式

2.2.4多步分析

2.2.5蒙特卡罗分析

2.3波形查看与测量

2.3.1输出波形曲线分离操作

2.3.2在输出波形曲线上增加测试项目

2.3.3在测量探针上增加测量项目

2.4F11窗口的使用

2.5模块化建模

2.5.1子电路与符号创建

2.5.2应用子电路与符号

2.6模型加密与保护

2.6.1对模型加密

2.6.2模型加密方法一

2.6.3模型加密方法二

2.7本章小结

第3章芯片建模之基本元器件与模块

3.1基本模拟元器件

3.1.1电阻

3.1.2电容

3.1.3电感

3.1.4二极管

3.1.5变压器

3.1.6电压源与电流源

3.1.7开关

3.1.8多级MOSFET驱动器

3.1.9比较器

3.1.10运算放大器

3.1.11光耦

3.2基本数字元器件

3.2.1逻辑门

3.2.2触发器

3.2.3POP触发器与波特图探针与测量

3.3SPICE模型导入与应用

3.3.1SPICE模型概述

3.3.2在SIMPLIS中导入SPICE模型

3.4常用芯片子电路模块

3.4.1时钟发生器

3.4.2软启动电路

3.5本章小结

第4章芯片建模之环路分析与补偿设计

4.1认识开关电源环路

4.1.1几个概念

4.1.2如何判定一个开关电源系统是否稳定

4.2环路分析与补偿设计方法

4.2.1环路分析之功率级

4.2.2环路分析之补偿器

4.2.3环路分析与补偿设计方法概述

4.2.4峰值电流控制模式的降压稳压器实例

4.3环路补偿设计方法之K因子法

4.3.1补偿器特性

4.3.2K因子法

4.3.3基于K因子法的开关电源补偿网络设计

4.3.4K因子法总结与反思

4.4基于OPA的补偿器

4.4.1Ⅰ型补偿器——1个初始极点

4.4.2Ⅱ型补偿器——1个初始极点+1个极点+1个零点

4.4.3ⅡA型补偿器——1个初始极点+1个零点

4.4.4ⅡB型补偿器——静态增益+1个初始极点

4.4.5Ⅲ型补偿器——1个初始极点+2个极点+2个零点

4.5基于OTA的补偿器

4.5.1Ⅰ型补偿器——1个初始极点

4.5.2Ⅱ型补偿器——1个初始极点+1个极点+1个零点

4.5.3Ⅲ型补偿器——1个初始极点+2个极点+2个零点

4.6基于TL431+PC817的补偿器

4.6.1Ⅰ型补偿器——1个初始极点+共射极配置

4.6.2Ⅱ型补偿器——1个初始极点+1个极点+1个零点

4.6.3Ⅲ型补偿器——1个初始极点+2个极点+2个零点

4.7基于隔离误差放大器的补偿器设计

4.7.1隔离误差放大器

4.7.2隔离误差放大器支持多种输出模式

4.7.3基于隔离误差放大器的补偿器

4.8本章小结

第5章芯片建模之降压稳压器

5.1降压稳压器概述

5.2降压稳压器基本工作原理

5.3降压稳压器常见控制策略

5.3.1定频控制

5.3.2变频控制

5.4降压稳压器关键参数

5.4.1降压稳压器静态工作点计算

5.4.2电感的选择

5.4.3输入电容的选择

5.4.4输出电容的选择

5.5降压稳压器建模实例——LTC3406B

5.5.1芯片介绍

5.5.2LTC3406B芯片框图介绍

5.5.3LTC3406B芯片分模块建模

5.5.4应用电路与仿真

5.6本章小结

第6章芯片建模之升压稳压器

6.1升压稳压器概述

6.2升压稳压器基本工作原理

6.3升压稳压器常见控制策略

6.3.1定频控制

6.3.2变频控制

6.3.3升压稳压器控制模式总结

6.4升压稳压器关键参数

6.4.1升压稳压器静态工作点计算

6.4.2电感的选择

6.4.3输入电容的选择

6.4.4输出电容的选择

6.5升压稳压器建模实例——TPS610891

6.5.1芯片介绍

6.5.2TPS610891芯片框图介绍

6.5.3TPS610891芯片分模块建模

6.5.4TPS610891应用设计

6.5.5应用电路与仿真

6.6本章小结

第7章芯片建模之PFC控制器

7.1PFC概念

7.2PFC基础

7.2.1PFC相关法规

7.2.2PFC主流实现方法

7.2.3PFC控制方式分类

7.3PFC控制器建模实例——L6562A建模与应用

7.3.1L6562A简介

7.3.2L6562A框图解析

7.3.3L6562A模块建模

7.3.4L6562A仿真应用设计

7.3.5L6562A仿真应用仿真

7.4本章小结

第8章芯片建模之反激控制器

8.1隔离电源简介

8.2反激电源基础

8.2.1反激式转换器的变种

8.2.2反激式稳压器工作原理

8.3准谐振反激式稳压器

8.3.1谐振与准谐振

8.3.2准谐振的优点

8.3.3准谐振电路的频率钳位

8.4反激控制器建模实例——NCP1380

8.4.1NCP1380芯片简介

8.4.2芯片供电模块

8.4.3软启动电路模块

8.4.4电流检测与比较电路模块

8.4.5反馈与工作模式切换模块

8.4.6VCO模式与频率折返

8.4.7过零点检测与开关触发电路模块

8.4.8超时检测功能模块

8.4.9短路或过载保护电路

8.4.10过功率(OPP)补偿电路模块

8.4.11过压/过热保护电路模块(A/B版本)

8.4.12过压/欠压保护电路模块(C/D版本)

8.4.13VCC锁存电路

8.4.14逻辑控制与驱动电路

8.5准谐振反激电源系统设计与仿真

8.5.1计算准谐振反激电感值

8.5.2开关管与续流二极管的选择

8.5.3电容选择

8.5.4补偿环路设计

8.5.5NCP1380芯片功能验证

8.6本章小结