電容是指保持電荷的能力。任何靜電場都是由許多電容器組成的,當有靜電場時就有一個電容器。電容用靜電場來描述。一般認為,一個孤立的導體與無窮大形成電容,導體接地相當于連接到無窮大,并作為一個整體與大地相連。電容器主要具有以下四個功能:儲能、濾波、旁路和去耦。
1.電容是充電和放電。如何使用電容器的充電和放電來理解濾波、去耦和旁路
電容器與直流電分離,并通過交流電流動,這很容易理解,但通過交流電時很難理解。只要理解通過交流電,就可以理解濾波、去耦和旁路。
電容是充電和放電,這很好,但交流電流的方向在正負方向交替變化,振幅也周期性變化。整個變化圖像是一條正弦曲線。
電容器連接在交流電路中。由于交流電壓的周期性變化,它也在周期性變化。電路中存在充放電電流。充放電電流與電壓完全相同,只是相位比電壓提前90度,這相當于通過電容器的交流電流。
與通過電阻的交流電不同,通過電阻的交流電流消耗電阻上的電能(熱量),而通過電容器僅與電源交換能量。充電時,電源會將能量發送給電容器,放電時,電容器會將電能返回給電源,因此電壓乘以電流所產生的功率稱為無功功率。
應該清楚的是,當電容器連接到交流電路時,流動的電子(電流)并不會真正沖過絕緣層,而是在電路中產生電流。這是因為在電路中,反向放電和正向充電方向相同。
而正向放電和反向充電是同一個方向,就像接力賽跑,一個團隊跑完交流電的正半周,另一個團隊接過接力棒繼續跑完交流電的負半周。
如果你知道電容器與交流連接,那么你就可以理解交流分量被旁路到地上,濾波器就完成了。
2.如何分別使用旁路電容器、濾波電容器和去耦電容器?
這三個術語的電容器實際上是濾波器,但它們在不同的電路中使用,它們的術語和用法不同。
濾波電容器:這是我們通常在電源整流后使用的電容器。正是電容器將整流電路的交流電整流為脈動直流電,并通過充電和放電使其平滑。這種電容器一般是大容量的電解電容器,在微觀層面。
旁路電容:用于濾除輸入信號中的高頻分量,主要用于濾除高頻雜波。它通常由瓷電容器和聚酯電容器制成,容量小,在皮法級別。
去耦電容:以輸出信號的干擾為濾波對象。去耦電容相當于電池。它可以用于充電和放電,這樣放大的信號就不會因為電流的突然變化而受到干擾。其容量取決于信號的頻率和紋波抑制的程度。
3.什么是耦合電容和去耦電容,它們的特性和功能是什么?
耦合電容用于傳輸交流信號。它在線路中連接。去耦電容用于去除無用的交流信號。一段連接在線路上,一端接地。
4.電容的作用是什么?什么是電容耦合和電容濾波?
電容器在電路中的十八項技能歸根結底是兩項!充電荷!釋放電荷!
其特性就是通交流!隔直流!在電容器兩端加上交流電壓后,它將以電流的交流頻率連續充電和放電!此時,電路中有相同頻率的交流電!這是電容的開/關特性!
在頻率合適的情況下電容對電路可視為通路!前級交流輸出經電容就可傳至后級電路!
而對直流來說它卻是隔絕的!因為兩端電壓充至與電路電壓相等時就不會再有充電電流了!
作用于前后級交流信號的傳遞時就是藕合!作用于濾除波動成分及無用交流成分時就是濾波!
審核編輯黃宇
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電源系統的建模仿真是電源開發過程中不可或缺的一環,它可以幫助工程師模擬電源系統,測試電源功能,驗證電源方案可行性,優化電源電路設計,加速電源系統開發。
選擇一款合適的仿真軟件至關重要,本篇將對在電源仿真中的常用軟件為大家進行介紹。
電源仿真
01 電源仿真
電源仿真是指通過計算機仿真軟件對電源系統行為進行模擬和分析。仿真軟件利用數學模型和算法來模擬電路的工作過程,并通過計算得出電源系統的電路參數,便于工程師驗證分析。
電源仿真為電源系統開發帶來很多便利 :
▍電源的設計與分析: 在電源方案制定過程中,可利用電源仿真手段輔助電源電路設計與分析,提升電源方案的制定效率與設計可靠性;
▍電源性能驗證: 在搭建實際電源系統前,可利用電源仿真對電源性能進行驗證,降低電源系統制造的試錯成本,有助于實際電源系統順利搭建;
▍電源故障排查: 電源仿真可用于排除工作不正常的電路,發現電源設計可能存在的故障,幫助工程師識別問題根源并快速解決問題;
▍電源優化設計: 可以在仿真軟件上進行電源性能優化方法驗證,有助于提升電路的性能、可靠性以及效率。
02 仿真流程
電源系統仿真大概可以分為仿真模型搭建、仿真參數設置、仿真模型運行以及仿真結果分析四部分內容。
▍搭建仿真模型: 根據電源的設計方案結合具體仿真內容在相應的仿真軟件中搭建仿真模型。
▍仿真參數設置: 按照電源方案中對電氣或電磁參數的設計對仿真模型參數進行設置。
▍仿真模型運行: 對仿真模型進行電源系統仿真,模型運行無誤后,獲得所需的電源參數。
▍仿真結果分析: 對仿真結果中關鍵電源參數進行分析,判斷是否符合預期。
仿真最重要的是搭建出符合實際情況的模型,并對仿真結果心中有數,它不能替代計算和分析,用做驗證是合適的。
在前文「LLC諧振變換器仿真建模與控制策略分析」篇中,我們采用MATLAB中的電路仿真軟件包Simulink,對LLC諧振變換器電路進行了仿真建模,感興趣的工程師們可以去回顧一下,這里就不贅述了。
常用仿真軟件
在進行電源設備設計仿真時,會涉及到電路、電磁、熱學、力學方面的仿真。
電路仿真: 通過仿真軟件將電路的元件和連接關系轉化為數學模型,有效地理解和預測實際電路的性能和行為。
電磁仿真: 將電磁場問題轉化為數學模型,對電磁場的行為和相互作用進行模擬和分析。
熱學仿真: 模擬熱量在設備中的傳遞,幫助設計更有效的散熱方案,防止過熱。
力學仿真: 模擬材料在力作用下的變形和應力,確保產品設計的強度和耐用性。
下面一起來認識一下這幾類電源仿真的常用軟件吧。
01 電路仿真軟件
▍ PSIM(Power Simulation)
PSIM是Powersim開發的趨向于電力電子領域以及電機控制領域的電路仿真軟件,支持開關器件高階非線性行為模型和開關器件SPICE模型。軟件運行速度快,建模能力好,比較適用于需要較長處理時間的模擬。
▍ Matlab/Simulink
Simulink是一個基于MATLAB的多域模擬和模型設計軟件,內置大量封裝好的電源IC中常見的底層數模邏輯控制模塊,并附帶眾多專門針對電源應用的器件建模和分析模組,配合MATLAB的其他工具可進行復雜的建模和數理分析。軟件仿真精度高但仿真速度較慢,適合復雜數字控制與邏輯功能的實現。
▍ Pspice
Pspice是由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件,可用于模擬各種類型的電源電路。軟件提供了直觀的用戶界面并可以自行建立元器件及元器件庫,仿真結果精度高,但是仿真速度較慢且軟件中專門針對電源的分析工具不足。
▍ LTspice
LTspice是ADI公司開發的一款電源仿真軟件、原理圖采集和波形觀測器,為改善模擬電路的仿真提供增強功能和模型。內置ADI公司的大量器件模型,并支持自定義模型的導入。
▍ SIMPLIS
SIMPLIS是由Designers of SIMPLIS Technologies開發的一種基于時域部分線性化技術的電源仿真軟件,可進行電源系統的高效仿真,在閉環開關電源設計中使用廣泛。
02 電磁仿真軟件
▍ ANSYS
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。針對開關電源的仿真解決方案,ANSYS軟件可以實現磁性部件性能仿真及電源電路系統性能仿真,從而在開關電源電路設計磁性器件性能優化、EMI噪聲仿真方面提供幫助。
▍ Saber
Saber能夠全面分析電源系統的各項指標如環路頻率響應、功率管開關、磁性器件的工作情況。軟件采用硬件描述語言(MAST)和單內核混合仿真方案,建立最精確、最完善的系統仿真模型。面向實際工程的復雜分析功能十分全面,但仿真速度慢。
03 熱學仿真軟件
▍ ICEPAK
ICEPAK軟件是由Fluent公司開發,專門為電子產品工程師定制開發的電子熱分析軟件,能夠處理曲面幾何,采用fluent求解器,集成在ANSYS中。
▍ FLOTHERM
FLOTHERM軟件由Mentor Graphics公司開發,是一款專門針對電子器件/設備熱設計而開發的仿真軟件,可以實現從元器件級、PCB板和模塊級、系統整機級到環境級的熱分析。
04 力學仿真軟件
▍ ANSYS Mechanical
ANSYS Mechanical 是一款用于結構分析的仿真軟件,集成在ANSYS中,能進行線性和非線性力學模擬,包括靜力學、動力學和疲勞分析,適合解決各種工程結構問題。
▍ ABAQUS
ABAQUS軟件是由達索公司開發,是非線性有限元分析軟件,擅長處理復雜的工程問題,如材料的塑性、蠕變、疲勞等。
以上就是本期為大家分享的常用電源仿真軟件了。仿真軟件可以幫助工程師快速預測和解決潛在問題,提升電源系統開發效率,降低研發成本。但電源系統仿真項目多樣且各種仿真軟件層出,選擇仿真軟件時,需要綜合考慮項目需求、軟件功能及軟件易用性,從而實現高效仿真。
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