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QSPICE:各种类型的电源(第3部分)

2023-09-07 16:02:49 Giovanni Di Maria 阅读:
本文将探讨各种类型的可用电源,以及如何使用QSPICE将它们用于电路分析。

作为电子仿真的一部分,QSPICE为不同电源的建模和测试提供了多种选择。本文将探讨各种类型的可用电源,以及如何在电路分析中使用它们。尽管仿真器中的电源发生器是理想且完美的,但也可以手动添加一些不同类型的真实行为。Gqgednc

QSPICE是一套不受限制、免费分发、持续支持和发展的工具套件,可用于所有仿真项目。当然,必须在接线图中至少包含一个或多个电源发生器,才能进行正确的仿真。在SPICE语言中,电压和电流发生器在仿真电路内提供电压或电流信号。这些发生器广泛用于对电路电源或其他输入信号进行建模。由于软件的特性,它们是理想的,即没有寄生效应和故障,但通过一些技巧,可以使它们与现实非常相似的运行。Gqgednc

如图1所示,QSPICE为设计人员提供了多种电源。下面列出了一些最重要的电源:Gqgednc

  • Behavioral Voltage Source,行为电压源
  • Behavioral Current Source,行为电流源
  • Voltage Dependent Voltage Source,电压相关电压源
  • Current Dependent Current Source,电流相关电流源
  • Current Dependent Voltage Source,电流相关电压源
  • Current Source,电流源
  • Independent voltage source,独立电压源
  • Independent voltage source,drawn as Pulse,独立电压源,绘制为脉冲形式
  • Independent voltage source,drawn as Sinewave,独立电压源,绘制为正弦波形式
  • Independent voltage source,drawn as Piecewise linear,独立电压源,绘制为分段线性形式
  • Independent voltage source,drawn as an Exponential,独立电压源,绘制为指数形式

在仿真器中还有许多其他发生器,不过,值得注意的是,前面列出的组件尤为重要。在本文的其余部分中,将使用简单的应用图及其电压或电流图来介绍其中一些发生器。这些例子将有助于简明扼要地说明这些发生器在电路仿真中的运行情况和特性。Gqgednc

Gqgednc

图1:QSPICE中可用的电压和电流发生器Gqgednc

独立电压源

本文中对发生器的讨论从最简单的“独立电压源”开始。正如该词所述,它是在电路内产生恒定或可变电压的组件。这些电压源不依赖于电路中的其他量,而是完全独立的。由设计人员决定相对的静态和动态行为。在电子仿真中,设计人员可以使用非常高的电压和电流源,而不会有任何生命危险或损坏任何电子元件的风险。例如,他们可以毫无顾虑地使用具有数千伏电势的电池或输出数百万安培电流的发生器。这一功能使他们能够探索极端的情况和条件,以评估在想象中的极限情况下的电路行为。仿真提供了一个受控环境,可以在其中测试组件的响应能力,并可以在高电压和高电流条件下分析电路性能,而无需担心与此类电压电平相关的实际风险。这为设计人员提供了优化设计的宝贵机会,可以确保电子系统在实际工作条件下具有最大的可靠性和安全性。Gqgednc

在QSPICE软件中,发生器类别包括以下组件:Gqgednc

  • Independent voltage source,独立电压源
  • Independent voltage source,drawn as Pulse,独立电压源,绘制为脉冲形式
  • Independent voltage source,drawn as Sinewave,独立电压源,绘制为正弦波形式
  • Independent voltage source,drawn as Piecewise linear,独立电压源,绘制为分段线性形式
  • Independent voltage source,drawn as an Exponential,独立电压源,绘制为指数形式

简单的应用接线图如图2所示,此类电源为实际操作和解决方案开辟了无限的可能性。该接线图包含为470Ω电阻负载供电的五个不同系统。Gqgednc

其时域图形操作的SPICE指令如下:Gqgednc

  • .tran2:该指令指示仿真器执行电路的瞬态仿真,持续时间为2个单位(例如秒)。在此仿真过程中,仿真器将考虑电压和电流的变化,计算电路随时间的行为。
  • .plot v(out1):该指令指示仿真器在瞬态仿真期间在电路的“out1”输出点生成电压图。该图将显示该特定点的电压随时间的变化情况。
  • .plot v(out2):该指令指示仿真器在瞬态仿真期间在电路的“out2”输出点生成电压图。该图将显示该特定点的电压随时间的变化情况。
  • .plot v(out3):该指令指示仿真器在瞬态仿真期间在电路的“out3”输出点生成电压图。该图将显示该特定点的电压随时间的变化情况。
  • .plot v(out4):该指令指示仿真器在瞬态仿真期间在电路的“out4”输出点生成电压图。该图将显示该特定点的电压随时间的变化情况。
  • .plot v(out5):该指令指示仿真器在瞬态仿真期间在电路的“out5”输出点生成电压图。该图将显示该特定点的电压随时间的变化情况。

使用不同行中的不同“plot”(绘图)指令可以获得五个独立的波形图。通过执行以下渐增的指令(与前一个指令类似),软件会生成五个波形图,且全部位于同一图中:Gqgednc

.plot v(out1),v(out2),v(out3),v(out4),v(out5)Gqgednc

Gqgednc

图2:独立电压源Gqgednc

可以看出,电阻负载由不同的电压源供电,形成图3中的波形图。让我们详细研究一下各种类型的电源。Gqgednc

电路图的第一部分包含一个12V的直流发生器(V1),它在NETLIST中创建了以下指令:Gqgednc

V1 out1 0 12VGqgednc

它定义了一个名为“V1”的直流电压源,连接在节点“out1”和参考节点“0”之间。电源电压值为12V。数字“0”代表电路的参考节点或接地,而“out1”代表电路中连接电压源的另一个节点。示波图上可见的信号是在“out1”节点处测量的。Gqgednc

电路图的第二部分包含一个脉冲发生器,它在NETLIST中创建了以下指令,对应于25%的PWM信号:Gqgednc

V2 out2 0 PULSE 0 5 1 0 0 25mS 100mSGqgednc

它定义了一个连接在节点“out2”和参考节点“0”之间的脉动电压源“V2”。其表示的参数依次如下:Gqgednc

  • “0”代表源电压的初始值。
  • “5”代表源电压的最大值。
  • “1”表示信号达到最大值(5V)之前的延迟时间。
  • “0”是“上升时间”。
  • “0”是“下降时间”。
  • “25mS”是信号保持ON的时间。
  • “100mS”代表波形的总周期。

这种电压源类型通常是仿真电路的脉冲信号或脉冲波形。示波图上可见的信号是在“out2”节点处测量的。Gqgednc

电路图的第三部分包含一个正弦波发生器,它在NETLIST中创建以下指令:Gqgednc

V3 out3 0 SIN 0 7 12Gqgednc

它定义了一个名为“V3”的正弦电压源,连接在节点“out3”和参考节点“0”之间。其表示的参数依次如下:Gqgednc

  • “0”代表正弦电压的偏移,即波形的连续分量。
  • “7”代表正弦电压的振幅(零峰值)。
  • “12”代表正弦电压的频率,单位为赫兹(Hz),表示波形在一秒钟内完成的周期数。

实际上,它创建了一个偏移量为0V、振幅为7V、频率为12Hz的正弦电压源。这种电压源类型通常是仿真电路中的正弦交流信号,例如音频波或230V/110V的电网信号。示波图上可见的信号是在“out3”节点处测量的。Gqgednc

电路图的第四部分包含一个自定义发生器,它在NETLIST中创建以下指令:Gqgednc

V4 out4 0 PWL 0.4 5 0.9 4 1.5 7Gqgednc

其一般语法如下:Gqgednc

Vnnn N+ N- PWL(t1 v1 t2 v2 t3 v3…)Gqgednc

“PWL”指令参数指定了定义电压源波形的时间-电压值对序列。这种类型的电压或电流源通常用于表示非线性波形或复杂信号,需要描述电路仿真中特定时间间隔内的各种电压值。Gqgednc

最后,电路图的第五部分包含一个自定义发生器,它在NETLIST中创建以下指令:Gqgednc

V5 out5 0 EXP 5 8 100m 1 50m 1Gqgednc

它指定了一个连接在节点“out5”和参考节点“0”(接地)之间的“EXP”(指数脉冲波)类型的电压发生器。其表示的参数依次如下:Gqgednc

  • Vinitial[V]:低电平电压值。
  • Vpulsed[V]:高电平的最大值。
  • Rise Delay [V]:波形上升之前的延迟时间。
  • Rise Tau[s]:波形的上升时间常数。
  • Fall Delay[s]:波形下降之前的延迟时间。
  • Fall Tau[s]:波形的下降时间常数。

Gqgednc

图3:负载电压波形图因所施加电压的类型而异Gqgednc

结论

QSPICE为电子电路分析中不同类型电源的建模和分析提供了广泛的选择。从简单的直流源到正弦、脉冲或噪声源,QSPICE使电子工程师能够评估不同条件和场景下的电路行为。利用SPICE仿真器的强大功能,可以研究电源和电路元件之间的相互作用,包括瞬态效应和频率响应。正确选择和配置电源对于设计和优化电子电路至关重要,而QSPICE则是这一过程中不可多得的工具。电压发生器的工作原理与电流发生器相同。在下一期文章中,我们将分析具有非常重要和有用功能的其他类型的电源发生器。Gqgednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:QSPICE: The Various Types of Power Sources (Part 3),由Ricardo Xie编译。)Gqgednc

相关阅读:

QSPICE:新型电子电路仿真器(第1部分)Gqgednc

QSPICE:瞬态域分析(第2部分)Gqgednc

责编:Ricardo
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