2. 开关电源核心拓扑与工作模式
开关电源的SPICE建模，第一步不是打开仿真器，而是判断“我面对的是哪种拓扑、工作在什么模式”。拓扑决定了电压增益、开关管与二极管的电压电流应力、磁性元件的伏秒关系；工作模式（CCM、DCM、BCM）则决定了状态方程的数量、电感电流是否连续、以及小信号模型是否成立。同一套Buck电路，在CCM下可以用二阶LC平均模型描述，在DCM下却会退化为一阶系统，右半平面零点、阻尼特性、环路补偿策略都会随之改变。因此，本节把拓扑与模式放在一起讨论，先建立“拓扑—增益—应力”的静态认识，再建立“模式—状态—模型”的动态认识。
一、五种基本拓扑的稳态关系
先约定参照方向：电感电流以流入同名端为正，输出电压以对地为正，二极管压降在理想分析中先忽略，后续再作为损耗项补入。设开关管导通占空比为D，开关周期为T，则关断时间为(1−D)T。
Buck（降压）：电感与输出串联，开关管在输入与电感之间。导通时电感两端电压为Vin−Vo，关断时为−Vo。由伏秒平衡得 Vo=D·Vin，占空比恒小于1，输出永远低于输入。开关管电压应力为Vin，二极管反向电压同样为Vin。
Boost（升压）：电感在输入侧，开关管将电感下端拉到地。导通时电感承受Vin，关断时电感通过二极管向输出释放能量，两端电压为Vin−Vo。伏秒平衡给出 Vo=Vin/(1−D)，输出高于输入。开关管与二极管电压应力均为Vo，这是Boost建模中必须正确设置的应力参数。
Buck-Boost（升降压）：电感一端接开关管与二极管的公共节点，另一端接地。导通时电感储能，关断时能量经二极管送到输出，输出极性与输入相反。增益为 Vo=−Vin·D/(1−D)，|Vo|可大于或小于Vin。开关管应力为Vin+|Vo|，二极管应力相同。
反激（Flyback）：本质是Buck-Boost的隔离变形，电感被拆成耦合电感（变压器），原边与副边同名端相反。导通时原边储能，副边二极管截止；关断时能量通过副边释放。增益为 Vo=Vin·(Ns/Np)·D/(1−D)。建模时必须设置励磁电感Lm、漏感Lk和匝比n=Np/Ns，漏感会在关断瞬间产生电压尖峰，是反激仿真中最容易出问题的部分。
正激（Forward）：变压器原副边同名端相同，导通时能量直接通过变压器传到副边，副边需要续流电感和续流二极管，并必须设置复位绕组或复位电路，否则磁芯会单向饱和。增益为 Vo=Vin·(Ns/Np)·D，D通常限制在0.45以内以保证复位完成。
二、CCM与DCM的边界与建模差异
判断模式的核心参数是电感纹波电流ΔIL与平均电流IL,avg的关系。以Buck为例，ΔIL=Vo(1−D)T/L，当IL,avg=ΔIL/2时进入BCM；小于该值则进入DCM。在SPICE中，CCM可以用平均开关模型或状态空间平均法建立，电感电流是连续状态变量；DCM则必须引入第三段“零电流”状态，否则仿真会得到错误的增益和相位。一个常见的建模错误是：用CCM的平均模型去仿真轻载DCM工况，结果环路相位裕度虚高，实际样机却振荡。
具体操作上，若用LTspice或PSpice做行为级建模，CCM下可以用受控源搭建PWM开关模型，DCM下则需要增加一个比较器判断电感电流是否过零，并切换占空比有效值。更稳妥的做法是先用理想开关+二极管搭建详细模型，观察电感电流波形，确认模式后再提取平均模型参数。
三、瞬态特性与建模验证要点
拓扑的瞬态响应差异同样显著。Buck和正激的输出LC滤波器在负载阶跃时表现为二阶欠阻尼振荡，需要关注相位裕度和穿越频率；Boost和Buck-Boost存在右半平面零点，负载加重时输出电压先反向下冲再回升，环路带宽必须压低到RHP零点频率的1/3以下；反激的瞬态受漏感和钳位电路影响，关断尖峰会通过寄生电容耦合到输出，仿真中若忽略Lk和Coss，会得到过于乐观的振铃结果。
验证时建议按以下顺序检查：先看稳态占空比是否与理论增益一致，再看电感电流是否连续，最后看负载阶跃下的过冲和恢复时间。若稳态增益偏差超过5%，优先检查二极管正向压降、开关导通电阻和电感直流电阻是否已正确设置；若瞬态振铃频率与理论LC谐振频率不符，检查寄生参数是否遗漏。
四、模式判断的快速估算示例
以一款Buck为例：Vin=12 V，Vo=5 V，fsw=500 kHz，L=10 μH，负载电流从0.5 A到3 A。计算D=5/12≈0.417，ΔIL=5×(1−0.417)/(500k×10μ)=0.583 A。临界电流为ΔIL/2≈0.29 A。因此负载电流低于0.29 A时进入DCM，0.5 A以上为CCM。若仿真中在0.2 A负载下仍用CCM模型，输出电压会偏高，因为DCM下实际占空比需要更小才能维持5 V。
这个估算过程可以直接作为建模前的模式预判：先算ΔIL，再与最小负载电流比较，决定使用CCM还是DCM模型。对于Boost和Buck-Boost，公式中的电压项不同，但判断逻辑一致。把这一步固化到建模流程中，可以避免大部分因模式误判导致的仿真与实测不符。