作者 | Wang Jieyu

 

在电源电路中，电感的非线性饱和是一个常见问题。当电流超过饱和电流时，磁芯材料无法继续有效存储磁场能量，电感值显著下降，进而导致电流波形失真、功率损耗增加以及电路效率降低。

 

同样，在滤波电路中，滤波电感的非线性饱和会削弱其滤波效果，使高频噪声无法有效滤除。

今天，我们将重点介绍CST低频工作室中Ms solver的一个重要功能——State Space Model（状态空间模型）。State Space Model是一种用于描述系统动态行为的数学模型，能够更准确地刻画现实世界中复杂系统的非线性特性，为电路设计和优化提供有力支持。

 

 

 

State Space Model如何设置

首先创建3D模型，如一个简单的非线性电感，包括非线性材料B-H曲线。

在Ms solver中勾选Incremental Inductance Matrix。

 

 

 

选择State Space Model

 

 

设置合适的参数范围，并启动参数扫描仿真。

 

 

 

得到多个参数的Incremental Inductance Matrix仿真结果后，在Schematic中选择Nonlinear Model。然后回到State Space Model设置中选择Export。

 

 

这样就完成了State Space Model的创建。

State Space Model应用案例

【应用案例一】：滤波电感饱和对滤波性能的影响

电路模型：等效噪声源+滤波电路+LISN+电源+Load

 

构建典型的CE（传导噪声发射）等效电路，包含等效噪声源、滤波电路、LISN、电源、Load。

 

其中滤波电感为State Space Model，在不同的直流偏置下，呈现非线性电感的特性。

 

 

仿真结果

 

非线性电感感量

 

结果分析：

选择合适的参数扫描范围，该范围需要覆盖电路中通过电感的电流值。（本案例为 -10A---10A）通过参数扫描得到不同电流下的增量电感量。从结果中可以清晰的看到感量随电流的增大呈现非线性。传导噪声仿真结果对比：Load 1Ω vs. 10Ω

 

 

结果分析：

电源电压恒定为10V，当Load为1Ω时，等效电路中直流电流约10A。同理，当Load为10Ω时，等效电路中直流电流约1A。从仿真结果对比可以看到，当直流电流为10A时，电感趋于饱和，导致感量下降，从而影响了滤波电路的滤波性能。

 

【应用案例二】：DC/DC converter中功率电感的饱和

 电路模型： DC/DC converter 电路+滤波电路+LISN

 

l构建完整DC/DC converter  CE噪声测试电路，即在DC/DC converter 电路的基础上，增加滤波电路，LISN等效电路等。

l这是一个典型的同步整流BUCK电路，其中功率电感为State Space Model，在不同的直流偏置下，呈现非线性电感的特性。

 

 

 

仿真结果：线性电感 vs. 非线性电感（基于State Space Model）

 

 

结果分析：

通过SW点电流波形的对比，能够清晰地看到功率电感的饱和现象。即在电流增大的过程中，由于电感趋于饱和，电感感量下降，电感上的电流变大且波形向内弯曲。由于本案例中电感的非线性对电流波形的影响不是特别大，因此传导噪声增加1dB左右。