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Maxim EE-Sim® OASIS 入门,第 1 部分:简介和仿真

callum.snowden
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power supply simultor tool

评估 Maxim 的 EE-Sim OASIS 开关式电源仿真器工具,并使用它为 Raspberry Pi 设计开关式电源SMPS

什么是 EE-Sim OASIS?

Maxim EE-Sim OASIS is是一款类似于 SPICE 的离线电路仿真工具,提供免费仿真使用Maxim开关控制器的开关电源(SMPS)电路。 OASIS工具是EE-Sim工具包提供的其中一部分,并与在线“直流-直流转换器工具”配合使用,用于 SMPS 电路的参数设计 

由于具有运行仿真的 SIMPLIS 引擎,EE-Sim OASIS 与更通用的 SPICE 仿真工具(例如 LTspice)相比具有优势。SIMPLIS 从一开始就被设计用于通过一种称为分段线性建模的技术来仿真开关式电源——其中在每个采样点均将电路视为线性电路,而 SPICE 是适合做模拟电路仿真的通用模拟引擎。这种差异意味着 SIMPLIS 引擎生成负载阶跃分析结果的速度要快很多,而且能够完成交流回路分析,与传统的 SPICE 工具相比可以用更少精力建立仿真。 

尤其是 EE-Sim OASIS 易于使用,这是因为它具有大量的经过测试的现成实例,涵盖了降压、升压、降压-升压和隔离式转换器拓扑,而且全都采用 Maxim 开关控制器。 

ee-sim oasis simultor screen shot

EE-Sim OASIS简介

ee-sim oasis simulator reference design screen shot

如果我们打开所提供的其中一个参考设计,尤其是“MAX17244 Load Step Transient(MAX17244 负载阶跃瞬变)”,将会打开一个原理视图,其中附带有用注释。以前使用过仿真工具的任何人都会熟悉这个界面。软件包中还包括各种附加组件,因此可以构建和仿真完整电路。 

Maxim 在原理图中包括了详细说明,解释其中的各个部分,如“BODE”和“VAC1”组件的功能以及如何更改仿真的各种设置 

打开此实例后,我们可以运行默认的仿真设置来查看会得到什么仿真输出。这将打开另一个小窗口,其中显示 SIMPLIS 仿真状态,然后在原理图旁会打开波形。

ee-sim oasis simulator in action screen shot

使用 18 个探头进行负载阶跃瞬态仿真只需 10 秒,而在传统的 SPICE 工具中,设置和运行将花费更多的时间和工作。 

在这里,我们将重新配置负载电流设备,以准备进行多阶跃仿真。使用 EE-Sim OASIS 可以轻松完成此操作,并可以测试各种情况。已创建一个名为“TestCurrent”的参数,该参数已连接到“Pulsed Current”(脉冲电流)设备参数。这种特殊的多阶跃仿真将使我们能够发现开关控制器在过电流情况下如何表现。 

ee-sim oasis simulator device configuration

创建完成后,我们进入“Simulator”(仿真器)菜单,然后进入“Setup Multi-Step”(设置多阶跃)选项,这将打开一个窗口,可以在其中输入参数名称和值。 

ee-sim oasis simulator set up

输入所需的测试值后,单击“Run”(运行)按钮,软件将开始多阶跃分析。完成 8 项不同的电流仿需要不到两分钟的时间,因此可以快速进行改进。 

仿真完成后,将显示波形输出,可以在其中将注释和光标添加到任何波形。波形也可以以各种组合进行叠加,从而轻松确定设计的操作。 

ee-sim oasis simulator waveform output

设计 SMPS

除了软件提供的许多参考设计之外,还可以使用 Maxim 提供的在线“直流-直流转换器工具”,该工具可以根据您提供的一组参数创建设计,然后可以在 EE-Sim OASIS 中将参数打开以完成进一步分析和调整。 

首先,我们决定设计、仿真和构建一种开关式电源,其输入电压范围为 9-30VDC,标称电压为 12V,产生 5.1V、2.5A 的输出,适合为 Raspberry Pi 供电。这将使 Raspberry Pi 能够从具有 12V 插座的汽车、通常具有 24V 插座的大型车辆甚至在工业环境中(因为其控件通常以 24V 运行)获得供电。选择 5.1V 输出电压的原因是为电缆电压损失留出一定的余量,标准 USB 电压为 5V +/- 5%,意味着允许的电压范围为 4.75V 至 5.25V。 

初步设计 

我们在 Maxim 的在线工具中开始设计工作,这大大简化了设计过程。 

ee-sim oasis simulator dc-dc converter selector


输入适当的设计输入后,将出现一个更详细的窗口,其中包含更多选项,包括开关控制器的类型以及该控制器具有的其他可选功能。在下方会列出与输入的设计参数匹配的控制器。

ee-sim oasis simulatorcontroller feature selection

不太方便的一点是未列出 IC 封装,虽然可以在最右侧链接的数据表中找到它,但这意味着您必须点击进入每个数据表。根据这些结果以及数据表中的信息,我们选择了 MAX17244——它满足我们的设计要求,而且其软件包还支持相对容易的 PCB 组装。 

选择后,该工具将生成一个原理图,其中填入适当的组件值,为运行仿真准备就绪。 

ee-sim oasis simulator configuration schematic

从这里,我们可以下载为各种不同的仿真类型预先配置的原理图。能够下载原理图并在 EE-Sim OASIS 中将其打开的另一个优点是,我们可以在设计中添加其他组件,如果需要仿真电路其他部分的运行,还可以添加其他探头。 

测试和调整设计 

我们可以在下面看到生成的原理图,以及在 EE-Sim OASIS 中仿真的输出波形。请注意,将电流从 1.25A 逐步提高到 2.5A 时,输出电源上会有轻微的过冲和下冲。OASIS 的灵活性意味着我们可以调整组件值,还可以添加和删除组件以查看是否可以减少这种过冲/下冲 

ee-sim oasis simulator unmodifiied oscilloscope output

我们还可以返回在线工具,更改输出要求。为了获得更紧密的输出调节,“Output Voltage Load Step Over/Undershoot”(输出电压负载阶跃过冲/下冲)百分比更改为 2%,“Output Voltage Ripple(输出电压纹波)”保持默认值 2%负载阶跃开始电流和阶跃电流分别更改为 0.5A 和 1.7A;这与 Raspberry Pi Foundation 提供的 Raspberry Pi 3B+ 电流消耗数据一致。这产生了更好的输出,并且大大减少了过冲/下冲。 

ee-sim oasis simulator revised oscilloscope output

使用 EE-Sim OASIS,还可以对电源设计进行快速交流仿真,并生产一个 Bode 图该图可经过解释来了解电源的稳定性。根据生成的 Bode 图,我们可以看到电源在构建完毕后应该是稳定的。 

ee-sim oasis simulator bode plot

结论 

在本系列文章的第 2 部分我们将讨论如何执行开关式电源的原理图捕获,设计一个适合连接到 Raspberry Pi 的 PCB,然后在第 3 部分我们将讨论电源单元 (PSU) 的组装和测试。 

Engineer of mechanical and electronic things by day, and a designer of rather amusing, rather terrible electric "vehicles" by night.

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