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開關電源充電器電磁仿真與電路設計
時間：2022-09-11 08:22:57
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在電子設備中，電源為重要的組成部分，能否實現電源高效管理直接影響產品性能。而針對便攜式設備，對電源輸出電壓、體積、可靠性等有不同的要求。在電子設備向著智能化、輕薄化和多功能的方向發展的同時，包含電池在內的一些傳統電源已經難以在容量、體積等方面滿足設備功耗要求。而實現開關電源充電器的設計，則能對開關電源重量輕、體積小、能量轉換效率高等優勢進行充分利用，滿足現代電子設備的充電需求[1]。
從上述分析來看，開關電源充電器會受到電磁干擾的影響，所以在設計前還應加強電磁仿真分析，以便及早發現電磁兼容隱患，從而通過消除隱患完成電路合理設計。
2.1電磁干擾分析
在開關電源充電器研發方面，還要加強產品電磁仿真分析，即確定產品在抗電磁干擾方面的能力，需要對產品的電磁兼容性進行測試，保證產品質量能夠滿足要求。針對開關電源充電器，電源噪聲干擾主要可以劃分為高頻震蕩噪聲和浪涌噪聲，采用差模和共模的形式傳導，會給周圍空間帶來輻射噪聲。在實際進行電磁仿真測試時，需要完成傳導測試、諧波電流測試、浪涌測試等各種測試，確定其能否實現各種電磁噪聲干擾的抵抗。在實際進行測試方法選用時，還要結合開關電源電磁干擾產生機理進行分析，方能加強對電源共模和差模噪聲源阻抗設計。在實際分析過程中，還要加強仿真技術運用，即完成各種元器件高頻模型庫的建立，通過仿真在開關電源充電器設計前完成其電磁性能的預測，確保產品得到合理設計。在電磁干擾測試時，需要對被測件產生的非預期電磁分量進行測量，利用時頻特性完成產品電磁干擾特性的描述[2]。
2.2電磁干擾測試仿真
從開關電源所受的電磁干擾來看，會受到輸入整流回路、開關回路、次級整流回路等各種回路中電感、電容等元器件的電磁干擾，同時也會受到電路構成的空間電磁輻射的干擾。此外，不合理的布線和結構布局，同樣會給開關電源帶來強烈的電磁干擾。在建模仿真分析時，還應完成元器件和子系統仿真模型的建立，利用計算機完成仿真計算，實現對電磁干擾水平的科學預估。在電磁干擾超出限定值的情況下，可以進行電路設計的修改，達到實現電路合理設計的目標。在仿真建模時，針對分立無源器件，可以通過實驗測量完成簡化SPICE模型的建立，如圖1所示，會利用電磁場模型提取軟件進行相應模型的提取，完成元器件端口電氣特性的分析，將關鍵信號和敏感信號的傳輸關系得到最大限度的建立。對高頻開關電源進行仿真，還要對電源外殼內部通風位置和開關面的電場分布進行分析，確定是否存在能量泄露，以免產生較大電磁輻射。針對電源屏蔽結構，需要采用PLO仿真，得到與暗室測試相符合的仿真分析結果。如圖2所示，輸入3V，輸出3.38V，系統無漏電感造成的電壓下降情況。采用該種仿真方法，則能找到系統電磁波泄露源頭，如穿過機箱的電纜等[3]。通過從源頭上防治電磁泄露，則能使產品電磁屏蔽效果得到改善。對子系統進行仿真，則要重點進行部件結構研究，利用CAD實現幾何模型的導入，節省仿真建模時間。變壓器二次側電壓尖峰得到了有效抑制，可以減少電源損耗。利用仿真得到的各種系統部件，可以對其電磁特性展開分析，完成系統電磁兼容的設計優化。采用仿真軟件，也能對系統所受的僅電磁場敷設進行測量，確定系統電磁場分布情況。
3.開關電源充電器的電路設計研究
3.1電路結構設計
在電路結構設計中，采用基于DC-DC轉換器的拓撲結構，利用LTC3245電路作為電源電路。而采用該種電路結構，從電磁仿真結果來看電磁干擾較小，能夠擁有1:1降壓、2:1降壓和1:2升壓這三種轉換模式，通過外界快速充電電容即能結合輸入電壓和輸出電壓完成不同轉換率的選擇。在輸入電壓超出輸出電壓兩倍時，即選擇2:1降壓模式，在輸入電壓在Vout和2Vout之間時，選擇1:1降壓模式，輸入電壓小于輸出電壓選擇1:2升壓模式。對輸出電壓進行檢測，則能完成每個周期電荷量轉移，實現轉換率的調節。采用該種方式，可以降低輸出紋波。在LTC3245電路中，擁有電荷泵、基準電壓源、輸出電壓可調和PWM控制等部分，以電荷泵為核心，實現電源升降壓調節。利用PWM控制信號，則能進行泵的充放電控制。利用MOS管作為模擬開關，則能使輸入電阻得到減小，達到提高電路輸出效率的目的。利用基準電壓源，可以進行穩定參考電壓的提供。而電路內部有兩個電壓源，即1.2V和1.4V。采用電壓比較器對多路復用開關輸出信號進行比較，則能實現泵脈沖信號控制，滿足輸出電壓的調節需求。
3.2控制電路設計
針對開關電源受到的各種電磁干擾，如諧波電流干擾、線路傳導干擾等，在充電器設計時可以通過增強輸入和輸出端口濾波設計減小干擾，也能通過加強接地處理減少干擾影響，促使電路性能得到進一步提高。在控制電路設計上，為減少電源受到的電磁干擾，還要使電流經過整流器和濾波器后進入電壓調節器，以便得到穩定的直流電源。具體來講，就是在電流經過半波整流電路后，會通過二極管VD。而采用正和負兩種半波整流二極管，則能使電流在正弦周期中通過一半，達到引進負半周期參數的目的，完成全波整流器電路的設計。在信號采集方面，多數電路可以在直流電壓下穩定控制。而在與負載連接方面，需要采用串聯方法，促使穩壓電路輸出電壓與穩壓二極管穩壓值一致，從而使電壓穩定在固定值上。采取該種控制方式，無論輸入電壓或負載是否發生變化，都能實現穩定電壓輸出。
3.3電路設計效果
從電路設計效果來看，在充電器工作在固定輸出降壓模式的情況下，最大輸出電流為180mA，電壓為3.3V和5V，能夠為此穩定輸出。在輸出電壓為3.3V的條件下，電壓紋波為44mV；在輸出電壓為5V的條件下，電壓紋波為52mV。由此可見，在該模式下工作，充電器可以保持較小的電壓紋波，所受的電磁干擾較小。而在輸出升壓模式下，最大輸出電流為110mA，電壓為3.3V和5V，能夠為此穩定輸出。在輸出電壓為3.3V和5V的條件下，電壓紋波為48mV。此外，在充電器輸入電壓較大的情況下，輸出電壓達到5V，可以更快的完成電壓轉換，轉換效率為73%左右，輸出電壓為3.3V時則能達到73%。分析原因可知，輸入電壓增加，輸出電壓不變，將導致充電器產生更大的功率損耗，因此將導致產品轉換效率下降。
4.結論
在有限的時空條件中，伴隨著電子設備的增多，頻率資源占用的密集度不斷增大，促使電磁干擾已經成為了電路設計首先需要考慮的問題。而通過電磁仿真分析，則能在開關電源充電器產品設計前對存在于元器件和電路子系統間的電磁兼容問題進行消除。在此基礎上實現電路結構合理設計，則能使產品抗干擾能力得到增強，保證產品實現電壓的穩定輸出，因此能夠更好的滿足產品設計需求。