使用ANSYS在系统级对降压转换器进行建模

在现代电子领域，降压转换器是高效电力传输的主要产品——在保持控制、稳定性和性能的同时降低电压。无论是优化便携式设备的能源使用还是为精密系统供电，降压转换器在当今的电路中都发挥着至关重要的作用。

本博客探讨了如何利用Ansys仿真工具，特别是Ansys PExprt和Simplorer，在系统级对降压转换器进行建模和分析。我们将逐步介绍设计转换器的磁性元件、将设计导出到 Simplorer 以及评估开环和 PID 控制性能的过程。这种仿真驱动的方法使工程师能够在硬件原型设计之前验证转换器行为，从而节省时间并提高可靠性。

 

第 1 步：在 ANSYS PExprt 中准备模型并定义降压转换器的输入/输出参数

启动PExprt -->在基于转换器的电感器下选择降压。

 

 

输入和输出参数设置如下图所示。输入电压：42 V。输出电压：12 V。

 

 

将材质拖放到设计库中，并为芯/线轴/线/材质分配材质。

 

 

在“建模选项”选项卡下，选择“显示所有解决方案”。分析完成后，将列出所有有效的设计。

 

 

第 2 步：开始设计过程

转到计算 --> 开始设计过程。PExprt会找到所有可以满足要求的设计。这个过程只需要几秒钟。

 

 

第 3 步：选择一种感兴趣的设计并生成 FEA 和 1D 模型

在此示例中，选择了具有最低窗口填充度的设计。

 

 

转到建模器 --> 生成模型 --> 生成基于有限元二维的模型（无电容效应）

 

 

 

单击“开始”开始模型生成过程。

 

 

参数提取完成后，我们可以退出曲线拟合过程，它将带回 PExprt 界面。我们可以保存和关闭 PExprt 模型。

 

 

第 4 步：在 ANSYS Simplorer 中创建开环电路

我们需要从 ANSYS Electronics Desktop 启动 ANSYS Simplorer，并为降压转换器构建电路。

 

 

我们可以在 Simplorer 的组件库中找到所有组件。用户可以通过转到 View --> Component Libraries 找到组件库。

 

 

我们只需要将组件拖放到 Simplorer 中并连接它们。完整的开环电路如下所示（不含降压转换器）。

 

 

负载（如上电路所示）是一个变量。以 1 毫秒施加阶跃负载以降低电流并将转换器驱动到不连续模式。

 

 

第 5 步：将 1D 降压转换器模型添加到电路中

转到 Twin Builder --> 添加组件 --> 添加 PExprt Staci 组件

 

 

从 PExprt 文件夹中选择 sml 文件：

 

 

将 PExprt 1D 组件拖放到正确的位置，使其连接到电路。现在我们可以在开环中分析模型。正如预期的那样，由于没有控制环路，输出电压会出现很大的尖峰。

 

 

第 6 步：在电路中添加 PID 控制器

PID 控制器可以在组件库中找到：Simplorer Elements --> Multiphysics --> SMPS --> Controllers

 

 

带有PID控制器的最终电路如下所示（有结果）。使用 PID 控制器，1 毫秒的尖峰会变得小得多。输出电压为12V，满足我们的要求。