大家好，今天我們來談?wù)勗趐spice的仿真中，一些磁性元件的應(yīng)用。因?yàn)殡姼性膮?shù)比較單一，而且在仿真中，主要是仿真元件的電子特性。所以，這里就不談電感，而主要討論一下變壓器和耦合電感的問題。
我發(fā)現(xiàn)，不少朋友在使用pspice仿真的時(shí)候，只會(huì)使用元件庫中的幾個(gè)理想化的耦合電感和變壓器模型，卻不會(huì)用那種帶磁芯參數(shù)的耦合電感和變壓器。下面讓我們畫一張?jiān)韴D，把常用的理想化的和非理想話的耦合電感及變壓器包含進(jìn)去，進(jìn)行一個(gè)仿真比較，這樣才能掌握模型的特點(diǎn)，從而在實(shí)際工作中運(yùn)用。
在這張?jiān)韴D中，我們一共放置了5個(gè)耦合電感和變壓器模型。其中左邊的2個(gè)是理想化的，右邊三個(gè)是非理想化，模擬的是帶著實(shí)際的磁芯的磁性元件，磁芯的規(guī)格是3C90材質(zhì)的ER28L。
有必要先簡單說一下耦合電感這個(gè)模型，讓一些剛?cè)腴T的朋友便于自己動(dòng)手嘗試。在圖中的K1、K2、K3就是以耦合電感為核心構(gòu)造的幾個(gè)變壓器。我們構(gòu)造這種變壓器的時(shí)候，需要放置一個(gè)耦合電感模型K_Linear或K_Break或一個(gè)帶磁芯的耦合電感模型例如K3所用的ER28L_3C90這個(gè)模型。然后需要根據(jù)實(shí)際的需要放置一個(gè)電感模型作為繞組，有幾個(gè)繞組就放幾個(gè)電感模型，但對于一個(gè)耦合電感模型，繞組不能超過6個(gè)。
下面說說這幾個(gè)模型的設(shè)置。
左邊兩個(gè)理想化模型：
K1：耦合電感模型為K_Linear，繞組為L1和L2，必須雙擊K_Linear模型在其參數(shù)L1中輸入L1，在參數(shù)L2中輸入L2，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)繞組的耦合。耦合系數(shù)設(shè)定為1，說明是完全耦合。電感L1和L2的電感量，就代表繞組的電感量。我們設(shè)定L1為250uH，L2為1000uH。這就意味這初級與次級的匝比為1：2。因?yàn)殡姼辛恐仁窃驯鹊钠椒健?/p>
TX1：采用理想變壓器模型XFRM_LINEAR，這個(gè)模型只有兩個(gè)繞組，雙擊模型后設(shè)定耦合系數(shù)為1，兩個(gè)繞組的電感量也分別設(shè)定為250uH和1000uH。
右邊的非理想化模型：
K2：采用的耦合電感模型為KBreak，同樣還需要放置兩個(gè)電感，這里是L3和L4，雙擊KBreak的模型，設(shè)定耦合系數(shù)為1，參數(shù)L1為L3，參數(shù)L2為L4，把參數(shù)Implementation設(shè)置為ER28L_3C90。這里要注意了，電感L3和L4的參數(shù)分別為10和20。這個(gè)數(shù)字代表什么意思呢？是電感量嗎？不是，千萬注意，這里的意思是匝數(shù)！凡是采用了帶磁芯的模型，就不再用電感量來作為參數(shù)了，而是使用匝數(shù)。
TX2：采用的非理想變壓器模型XFRM_NONLINEAR，同樣這個(gè)模型只有兩個(gè)繞組。雙擊模型后，設(shè)定耦合系數(shù)為1，參數(shù)Implementation設(shè)置為ER28L_3C90，參數(shù)L1_TURNS和L2_TRUNS分別設(shè)置為10和20。很顯然，這里也是匝數(shù)。
K3：直接采用ER28L_3C90磁芯的耦合電感模型，繞組為L5和L6。雙擊耦合電感模型，設(shè)置耦合系數(shù)為1，參數(shù)L1為L5，參數(shù)L2為L6。把L5和L6的參數(shù)改成10和20。
為什么我這里要把采用ER28L_3C90磁芯的模型的匝比設(shè)定為10：20呢，因?yàn)檫@個(gè)磁芯的電感系數(shù)為250nH/N2，這樣剛好使初次級之間的電感量之比為250uH:1000uH，和理想模型的參數(shù)一致，方便仿真后結(jié)果的比較。
現(xiàn)在我們在每個(gè)變壓器的初級串一個(gè)0.001歐的電阻，次級接上10歐的負(fù)載。并放置一個(gè)峰值1V，頻率10KHz的正弦波電壓源給變壓器初級提供輸入信號，并雙擊這個(gè)信號源，設(shè)置初始相位為90度，如圖連接好電路，放置0電位的地。然后點(diǎn)擊菜單pspice項(xiàng)，選擇new simulation profile建立一個(gè)新的仿真。然后選擇時(shí)域仿真，見下圖：
設(shè)定仿真時(shí)間從0秒開始到1ms，最大步長100ns，跳過初始化偏壓點(diǎn)計(jì)算。然后點(diǎn)擊菜單pspice，選擇Run，仿真就可以開始了。待仿真完成后，如最開始的圖放置電壓探頭。我們已經(jīng)知道這些變壓器的變比是1：2，那么實(shí)際的電壓輸出是不是這樣呢？看看吧：
從圖中可以看到，輸入電壓峰值為1V的正弦波，輸出為峰值為2V的正弦波。再如下圖放置電流探頭：
然后點(diǎn)擊仿真器的菜單plot，選擇Add plot to window，再放置一個(gè)如上圖中的看輸入電壓信號的電壓探頭，可以同時(shí)看到輸入電壓與輸出電流的波形：
從波形上可以看出，每個(gè)變壓器的輸出電流波形幾乎是完全一致的。那么有朋友要說了，這么看來，理想變壓器和非理想變壓器模型的表現(xiàn)好像是一樣的，沒有什么區(qū)別呀？
下面我們來繼續(xù)探討。理想變壓器和非理想變壓器的一個(gè)重要的區(qū)別就是，理想變壓器不會(huì)飽和，而非理想變壓器會(huì)飽和。怎么樣才能讓變壓器飽和呢？假如給變壓器的初級施加一個(gè)直流電壓信號，時(shí)間長了，勵(lì)磁電流越來越大，變壓器就會(huì)飽和。我們來看看是不是這樣的。把輸入的交流信號源換成一個(gè)0.5V的直流信號源:
然后點(diǎn)擊工具欄上的這個(gè)
再次開始時(shí)域掃描（沒有改參數(shù)，和上次一樣）。然后在如圖中所示，R1、R5處放置電流探頭。在仿真器界面下選擇菜單的plot->Add plot to window，再如圖在R3、R7、R9處放置電流探頭，看看變壓器原邊電流在長時(shí)間施加直流電流會(huì)如何變化吧：
從圖中可以看到，理想變壓器的初級電流線性上升。而非理想變壓器的初級電流在大約0.76ms的地方開始急劇上升。是不是變壓器在這個(gè)地方飽和了呢？我們來計(jì)算一下。先看一下磁芯和材質(zhì)的參數(shù)：
根據(jù)這些已知參數(shù)，按照電磁感應(yīng)定律：
說明從時(shí)間零點(diǎn)開始到0.76毫秒處的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量為467mT。而根據(jù)上表中，3C90材質(zhì)的飽和點(diǎn)約為470mT，說明采用了ER28L_3C90磁芯的幾個(gè)非理想變壓器在這個(gè)地方的確開始進(jìn)入飽和狀態(tài)了！而理想變壓器的初級電流只是線性上升，不會(huì)進(jìn)入飽和！
了解了這些模型的特性，你就可以按照實(shí)際的需要選擇合適的模型進(jìn)行仿真。不管是理想化的耦合電感模型，還是非理想的模型，K系列的模型可以支持有6個(gè)繞組的耦合電感或變壓器。通常足夠我們使用了。
我用的軟件環(huán)境是Windows XP +Cadence SPB 16.5。我會(huì)繼續(xù)給感興趣的朋友說說關(guān)于電源仿真的知識，也歡迎大家一起來討論、學(xué)習(xí)。有問題多上來交流！