淺談開(kāi)關(guān)電源充電器的電磁仿真與電路設(shè)計(jì)

廣東省高級(jí)技工學(xué)校 邱吉鋒

1.開(kāi)關(guān)電源充電器充電器概述

在電子設(shè)備中，電源為重要的組成部分，能否實(shí)現(xiàn)電源高效管理直接影響產(chǎn)品性能。而針對(duì)便攜式設(shè)備，對(duì)電源輸出電壓、體積、可靠性等有不同的要求。在電子設(shè)備向著智能化、輕薄化和多功能的方向發(fā)展的同時(shí)，包含電池在內(nèi)的一些傳統(tǒng)電源已經(jīng)難以在容量、體積等方面滿足設(shè)備功耗要求。而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源充電器的設(shè)計(jì)，則能對(duì)開(kāi)關(guān)電源重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分利用，滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的充電需求[1]。

2.開(kāi)關(guān)電源充電器的電磁仿真分析

從上述分析來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源充電器會(huì)受到電磁干擾的影響，所以在設(shè)計(jì)前還應(yīng)加強(qiáng)電磁仿真分析，以便及早發(fā)現(xiàn)電磁兼容隱患，從而通過(guò)消除隱患完成電路合理設(shè)計(jì)。

2.1 電磁干擾分析

在開(kāi)關(guān)電源充電器研發(fā)方面，還要加強(qiáng)產(chǎn)品電磁仿真分析，即確定產(chǎn)品在抗電磁干擾方面的能力，需要對(duì)產(chǎn)品的電磁兼容性進(jìn)行測(cè)試，保證產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足要求。針對(duì)開(kāi)關(guān)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(dǎo)，會(huì)給周圍空間帶來(lái)輻射噪聲。在實(shí)際進(jìn)行電磁仿真測(cè)試時(shí)，需要完成傳導(dǎo)測(cè)試、諧波電流測(cè)試、浪涌測(cè)試等各種測(cè)試，確定其能否實(shí)現(xiàn)各種電磁噪聲干擾的抵抗。在實(shí)際進(jìn)行測(cè)試方法選用時(shí)，還要結(jié)合開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，方能加強(qiáng)對(duì)電源共模和差模噪聲源阻抗設(shè)計(jì)。在實(shí)際分析過(guò)程中，還要加強(qiáng)仿真技術(shù)運(yùn)用，即完成各種元器件高頻模型庫(kù)的建立，通過(guò)仿真在開(kāi)關(guān)電源充電器設(shè)計(jì)前完成其電磁性能的預(yù)測(cè)，確保產(chǎn)品得到合理設(shè)計(jì)。在電磁干擾測(cè)試時(shí)，需要對(duì)被測(cè)件產(chǎn)生的非預(yù)期電磁分量進(jìn)行測(cè)量，利用時(shí)頻特性完成產(chǎn)品電磁干擾特性的描述[2]。

圖1 簡(jiǎn)化SPICE模型

2.2 電磁干擾測(cè)試仿真

從開(kāi)關(guān)電源所受的電磁干擾來(lái)看，會(huì)受到輸入整流回路、開(kāi)關(guān)回路、次級(jí)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(shí)也會(huì)受到電路構(gòu)成的空間電磁輻射的干擾。此外，不合理的布線和結(jié)構(gòu)布局，同樣會(huì)給開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)強(qiáng)烈的電磁干擾。在建模仿真分析時(shí)，還應(yīng)完成元器件和子系統(tǒng)仿真模型的建立，利用計(jì)算機(jī)完成仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾水平的科學(xué)預(yù)估。在電磁干擾超出限定值的情況下，可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的修改，達(dá)到實(shí)現(xiàn)電路合理設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在仿真建模時(shí)，針對(duì)分立無(wú)源器件，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量完成簡(jiǎn)化SPICE模型的建立，如圖1所示，會(huì)利用電磁場(chǎng)模型提取軟件進(jìn)行相應(yīng)模型的提取，完成元器件端口電氣特性的分析，將關(guān)鍵信號(hào)和敏感信號(hào)的傳輸關(guān)系得到最大限度的建立。對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真，還要對(duì)電源外殼內(nèi)部通風(fēng)位置和開(kāi)關(guān)面的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，確定是否存在能量泄露，以免產(chǎn)生較大電磁輻射。

針對(duì)電源屏蔽結(jié)構(gòu)，需要采用PLO仿真，得到與暗室測(cè)試相符合的仿真分析結(jié)果。如圖2所示，輸入3V，輸出3.38V，系統(tǒng)無(wú)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(tǒng)電磁波泄露源頭，如穿過(guò)機(jī)箱的電纜等[3]。通過(guò)從源頭上防治電磁泄露，則能使產(chǎn)品電磁屏蔽效果得到改善。

圖2 PLO仿真結(jié)果

對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，則要重點(diǎn)進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)研究，利用CAD實(shí)現(xiàn)幾何模型的導(dǎo)入，節(jié)省仿真建模時(shí)間。變壓器二次側(cè)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(tǒng)部件，可以對(duì)其電磁特性展開(kāi)分析，完成系統(tǒng)電磁兼容的設(shè)計(jì)優(yōu)化。采用仿真軟件，也能對(duì)系統(tǒng)所受的僅電磁場(chǎng)敷設(shè)進(jìn)行測(cè)量，確定系統(tǒng)電磁場(chǎng)分布情況。

3.開(kāi)關(guān)電源充電器的電路設(shè)計(jì)研究

3.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用LTC3245電路作為電源電路。而采用該種電路結(jié)構(gòu)，從電磁仿真結(jié)果來(lái)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(zhuǎn)換模式，通過(guò)外界快速充電電容即能結(jié)合輸入電壓和輸出電壓完成不同轉(zhuǎn)換率的選擇。在輸入電壓超出輸出電壓兩倍時(shí)，即選擇2:1降壓模式，在輸入電壓在Vout和2Vout之間時(shí)，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(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，則能完成每個(gè)周期電荷量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換率的調(diào)節(jié)。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(zhǔn)電壓源、輸出電壓可調(diào)和PWM控制等部分，以電荷泵為核心，實(shí)現(xiàn)電源升降壓調(diào)節(jié)。利用PWM控制信號(hào)，則能進(jìn)行泵的充放電控制。利用MOS管作為模擬開(kāi)關(guān)，則能使輸入電阻得到減小，達(dá)到提高電路輸出效率的目的。利用基準(zhǔn)電壓源，可以進(jìn)行穩(wěn)定參考電壓的提供。而電路內(nèi)部有兩個(gè)電壓源，即1.2V和1.4V。采用電壓比較器對(duì)多路復(fù)用開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)進(jìn)行比較，則能實(shí)現(xiàn)泵脈沖信號(hào)控制，滿足輸出電壓的調(diào)節(jié)需求。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

針對(duì)開(kāi)關(guān)電源受到的各種電磁干擾，如諧波電流干擾、線路傳導(dǎo)干擾等，在充電器設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)增強(qiáng)輸入和輸出端口濾波設(shè)計(jì)減小干擾，也能通過(guò)加強(qiáng)接地處理減少干擾影響，促使電路性能得到進(jìn)一步提高。在控制電路設(shè)計(jì)上，為減少電源受到的電磁干擾，還要使電流經(jīng)過(guò)整流器和濾波器后進(jìn)入電壓調(diào)節(jié)器，以便得到穩(wěn)定的直流電源。具體來(lái)講，就是在電流經(jīng)過(guò)半波整流電路后，會(huì)通過(guò)二極管VD。而采用正和負(fù)兩種半波整流二極管，則能使電流在正弦周期中通過(guò)一半，達(dá)到引進(jìn)負(fù)半周期參數(shù)的目的，完成全波整流器電路的設(shè)計(jì)。在信號(hào)采集方面，多數(shù)電路可以在直流電壓下穩(wěn)定控制。而在與負(fù)載連接方面，需要采用串聯(lián)方法，促使穩(wěn)壓電路輸出電壓與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值一致，從而使電壓穩(wěn)定在固定值上。采取該種控制方式，無(wú)論輸入電壓或負(fù)載是否發(fā)生變化，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。

3.3 電路設(shè)計(jì)效果

從電路設(shè)計(jì)效果來(lái)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?yàn)榇朔€(wěn)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(jiàn)，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?yàn)榇朔€(wěn)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(dá)到5V，可以更快的完成電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率為73%左右，輸出電壓為3.3V時(shí)則能達(dá)到73%。分析原因可知，輸入電壓增加，輸出電壓不變，將導(dǎo)致充電器產(chǎn)生更大的功率損耗，因此將導(dǎo)致產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率下降。

4.結(jié)論

在有限的時(shí)空條件中，伴隨著電子設(shè)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(jīng)成為了電路設(shè)計(jì)首先需要考慮的問(wèn)題。而通過(guò)電磁仿真分析，則能在開(kāi)關(guān)電源充電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)前對(duì)存在于元器件和電路子系統(tǒng)間的電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行消除。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)，則能使產(chǎn)品抗干擾能力得到增強(qiáng)，保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，因此能夠更好的滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。