7、MATLAB协同仿真工具在电源系统设计中的应用

MATLAB协同仿真工具在电源系统设计中的应用

1. 引言

现代电子设备可视为基本子系统的集合，每个子系统都需要稳定的供电电压来实现其功能。在系统板上，可能存在多达十个独立的电压轨，每个轨都有额定的最大电流和电流变化率。若现有能源不适合特定应用，则需要电源系统将输入能量转换为所需的输出形式。由于通常需要处理上电、掉电序列以及从多种故障状态中恢复，监测和排序电压轨变得十分复杂，因此常使用中央电源管理控制器。电源管理系统的设计是整个设计成功的关键步骤，其性能会严重影响电子设备的成本、尺寸和体积。

开关转换器在电子行业中广泛应用。与线性稳压器不同，开关转换器既能降低也能升高未调节的输入电压，效率可达97%。开关电源主要根据输入能量形式和期望输出进行分类，包括AC - AC循环转换、AC - DC整流、DC - AC逆变和DC - DC转换。多种拓扑结构适用于实现这些转换。

电源系统架构可概括为功率部分和控制部分。开关转换器包含在功率部分，而反馈网络和安全保护电路则在控制系统中。由于对数字控制器的兴趣日益增长，电源系统可建模为复杂系统，通常涉及数字和模拟子系统。与模拟控制器相比，数字控制器具有更低的功耗、更高的抗元件老化能力和更高的设计灵活性。控制算法通常使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）在功能层面进行描述。基于ASIC或FPGA的控制器通常通过复杂的仿真、综合和验证工具进行集成。

强大的仿真环境和准确的系统建模可大大缩短产品上市时间。然而，为混合模式系统实现高精度模型十分困难。市场上有特定的仿真工具，每个工具针对特定的抽象级别。电路仿真软件如Powersim PSIM和Orcad Pspice是电路建模的常见选择。ASIC仿真和验证工具如Xilinx I