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，可能存在多达十条独立的电压轨，每条轨都有最大电流和电流变化率的额定值。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、下电序列以及从多种故障状态中恢复，因此对电压轨的监控和排序十分复杂，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 周期转换、AC - DC 整流、DC - AC 逆变和 DC - DC 转换等。无论采用何种具体拓扑，电源系统架构通常可概括为电源部分和控制部分。开关转换器属于电源部分，而反馈网络和安全保护电路则包含在控制系统中。

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，常涉及数字和模拟子系统。与模拟控制器相比，数字控制器具有功耗低、对元件老化的免疫力强以及设计灵活性高等优点。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。强大的仿真环境和精确的系统建模可大大缩短产品上市时间，但为混合模式系统实现高精度模型颇具挑战。市场上有多种特定的仿真工具，每种工具都针对特定的抽象级别。常见的电路建模软件有 Powersim PSIM 和 Orcad Pspice，而 ASIC 仿真和验证工具（如 Xilinx I