作者 | Wang Jieyu

 

在電源電路中，電感的非線性飽和是一個常見問題。當(dāng)電流超過飽和電流時(shí)，磁芯材料無法繼續(xù)有效存儲磁場能量，電感值顯著下降，進(jìn)而導(dǎo)致電流波形失真、功率損耗增加以及電路效率降低。

 

同樣，在濾波電路中，濾波電感的非線性飽和會削弱其濾波效果，使高頻噪聲無法有效濾除。

今天，我們將重點(diǎn)介紹CST低頻工作室中Ms solver的一個重要功能——State Space Model（狀態(tài)空間模型）。State Space Model是一種用于描述系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型，能夠更準(zhǔn)確地刻畫現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜系統(tǒng)的非線性特性，為電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力支持。

 

 

 

State Space Model如何設(shè)置

首先創(chuàng)建3D模型，如一個簡單的非線性電感，包括非線性材料B-H曲線。

在Ms solver中勾選Incremental Inductance Matrix。

 

 

 

選擇State Space Model

 

 

設(shè)置合適的參數(shù)范圍，并啟動參數(shù)掃描仿真。

 

 

 

得到多個參數(shù)的Incremental Inductance Matrix仿真結(jié)果后，在Schematic中選擇Nonlinear Model。然后回到State Space Model設(shè)置中選擇Export。

 

 

這樣就完成了State Space Model的創(chuàng)建。

State Space Model應(yīng)用案例

【應(yīng)用案例一】：濾波電感飽和對濾波性能的影響

電路模型：等效噪聲源+濾波電路+LISN+電源+Load

 

構(gòu)建典型的CE（傳導(dǎo)噪聲發(fā)射）等效電路，包含等效噪聲源、濾波電路、LISN、電源、Load。

 

其中濾波電感為State Space Model，在不同的直流偏置下，呈現(xiàn)非線性電感的特性。

 

 

仿真結(jié)果

 

非線性電感感量

 

結(jié)果分析：

選擇合適的參數(shù)掃描范圍，該范圍需要覆蓋電路中通過電感的電流值。（本案例為 -10A---10A）通過參數(shù)掃描得到不同電流下的增量電感量。從結(jié)果中可以清晰的看到感量隨電流的增大呈現(xiàn)非線性。傳導(dǎo)噪聲仿真結(jié)果對比：Load 1Ω vs. 10Ω

 

 

結(jié)果分析：

電源電壓恒定為10V，當(dāng)Load為1Ω時(shí)，等效電路中直流電流約10A。同理，當(dāng)Load為10Ω時(shí)，等效電路中直流電流約1A。從仿真結(jié)果對比可以看到，當(dāng)直流電流為10A時(shí)，電感趨于飽和，導(dǎo)致感量下降，從而影響了濾波電路的濾波性能。

 

【應(yīng)用案例二】：DC/DC converter中功率電感的飽和

 電路模型： DC/DC converter 電路+濾波電路+LISN

 

l構(gòu)建完整DC/DC converter  CE噪聲測試電路，即在DC/DC converter 電路的基礎(chǔ)上，增加濾波電路，LISN等效電路等。

l這是一個典型的同步整流BUCK電路，其中功率電感為State Space Model，在不同的直流偏置下，呈現(xiàn)非線性電感的特性。

 

 

 

仿真結(jié)果：線性電感 vs. 非線性電感（基于State Space Model）

 

 

結(jié)果分析：

通過SW點(diǎn)電流波形的對比，能夠清晰地看到功率電感的飽和現(xiàn)象。即在電流增大的過程中，由于電感趨于飽和，電感感量下降，電感上的電流變大且波形向內(nèi)彎曲。由于本案例中電感的非線性對電流波形的影響不是特別大，因此傳導(dǎo)噪聲增加1dB左右。