TPS54310的平均SPICE模型的建立与应用

同步整流管模型的构建

TPS54310同步整流管模型简化地用具有更小正向电压降的肖特基二极管来模拟。对理想二极管，正向电压降的公式：





（图9）同步整流管模型的I-V仿真特性曲线

一般用增大饱和电流IS的办法建立肖特基二极管的模型。用ICAP4软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)。

（图9）是仿真的同步整流管模型I-V特性曲线。

可以看出，当电流为3A时，正向电压降为0.18V。

这个结果与TPS54310的同步整流管在3A时的压降3*0.059=0.177V是吻合的。

最终建立的TPS54310的平均SPICE模型内部电路见（图10），（图11）是对应的宏模型块的符号，供画仿真电路图时调用。定义的6个管脚除VERR外，都与TPS54310的实际管脚一致。管脚VERR用来在开环交流小信号仿真时插入交流信号源。TPS54310的模型需输入四个参数：开关频率FS，储能电感值L，储能电感的欧姆电阻RS，高频开关管的导通电阻RON。完整的TPS54310模型的SPICE网络文件见附件。



（图11）TPS54310宏模型块符号

3 TPS54310的平均SPICE模型的验证与应用

为了验证模型的正确性，用TI公司提供的专用设计软件SWIFT? Designer 2.01设计了五种DC-DC变换电路，然后利用前面所建的TPS54310模型，构成同样的DC-DC变换器的仿真电路，在ICAP4软件上进行直流分析和交流小信号分析，比较这两种方法获得的数据，见（表1）。可以看出，二者的差别非常小。因此有理由认为，TPS54310的平均SPICE模型是可信的。



（图10）TPS54310的平均SPICE模型内部电路

表一





（图12）TPS54310演示板直流和交流小信号仿真电路



（图13）



（图15）负载瞬态响应仿真波形



（图16）输入音频扰动衰减率与频率的关系曲线



（图14）TPS54310演示板负载瞬态响应和输入音频扰动衰减率仿真电路

下面，利用前面所建的TPS54310平均 SPICE模型对TI公司提供的演示板电路进行全面的仿真分析。直流和交流小信号分析的仿真电路见（图12），直流工作点标注在图上。得到的系统的开环频率特性（幅频和相频）见（图 13）。环路增益交越频率为44KHz，过0dB 时，相移为83.1度，证明该电源系统是稳定的。（图14）是仿真负载瞬态响应和输入音频扰动衰减率的电路图。注意仿真技巧，C3 由（图12）的1kF变为1pF,相当于交流开路节点8和4；同时，L1 由（图12）的1gH变为1pH,相当于交流短路节点8和5，形成闭环。分段线性源ILoad模拟负载电流的瞬间突变（在1us内跳变3A）。（图15）是负载瞬态响应波形。在电源输入端插入1Vac 的交流电压源，在节点9得到如（图16）所示的输入音频扰动衰减率与频率的关系曲线，反映了系统对小信号正弦波输入电压扰动的抑制能力。为了研究系统对负载扰动的抑制能力，在输入音频扰动衰减率与频率的关系曲线负载瞬态响应仿真波形输出端插入1Aac的交流电流源（仿真电路略），在节点9可得到闭环输出阻抗，见（图17）。至此，采用所建的TPS54310平均SPICE模型已对TI公司提供的演示板电路进行了较全面的动态指标的仿真分析，包括稳定性，快速性和抗扰动性，这是TI的设计软件SWIFT? Designer 2.01所不能给出的。



（图17）闭环输出阻抗与频率的关系曲线

4. 总结

建立TPS54310平均SPICE模型的意义在于，只需要厂家公开的电源IC的技术资料，就能提取具有相当准确度的模型，方便设计者在制作出实际的电路之前，对电源的性能，特别是动态性能做出全面的评估，从而指导设计者对电源进行优化。而且比起开关模型来说，占用机时少，有很高的仿真效率。对比厂家给出的原始设计软件，运用平均SPICE模型在通用电路分析软件上仿真更灵活，更强大，应该是原始设计软件必不可少的补充。

TPS54310平均SPICE模型建立了同步整流BUCK型DC-DC模块平均SPICE模型的通用电路框架，具有一定的普遍性。稍微调整几个模型参数，就可以建立TI公司整个SWIFT电源IC家族的模型，如TPS54610，TPS54810，TPS54672等等。对其他厂家的电源IC产品，通过适当修改也可以方便地建立它们的平均SPICE模型。