淺談開關(guān)電源充電器的電磁仿真與電路設(shè)計

廣東省高級技工學(xué)校 邱吉鋒

1.開關(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，能否實現(xiàn)電源高效管理直接影響產(chǎn)品性能。而針對便攜式設(shè)備，對電源輸出電壓、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，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。而實現(xiàn)開關(guān)電源充電器的設(shè)計，則能對開關(guān)電源重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢進行充分利用，滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的充電需求[1]。

2.開關(guān)電源充電器的電磁仿真分析

從上述分析來看，開關(guān)電源充電器會受到電磁干擾的影響，所以在設(shè)計前還應(yīng)加強電磁仿真分析，以便及早發(fā)現(xiàn)電磁兼容隱患，從而通過消除隱患完成電路合理設(shè)計。

2.1 電磁干擾分析

在開關(guān)電源充電器研發(fā)方面，還要加強產(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，需要對產(chǎn)品的電磁兼容性進行測試，保證產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足要求。針對開關(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(dǎo)測試、諧波電流測試、浪涌測試等各種測試，確定其能否實現(xiàn)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(jié)合開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)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(shè)計。在實際分析過程中，還要加強仿真技術(shù)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(guān)電源充電器設(shè)計前完成其電磁性能的預(yù)測，確保產(chǎn)品得到合理設(shè)計。在電磁干擾測試時，需要對被測件產(chǎn)生的非預(yù)期電磁分量進行測量，利用時頻特性完成產(chǎn)品電磁干擾特性的描述[2]。

圖1 簡化SPICE模型

2.2 電磁干擾測試仿真

從開關(guān)電源所受的電磁干擾來看，會受到輸入整流回路、開關(guān)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(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，同樣會給開關(guān)電源帶來強烈的電磁干擾。在建模仿真分析時，還應(yīng)完成元器件和子系統(tǒng)仿真模型的建立，利用計算機完成仿真計算，實現(xiàn)對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，可以進行電路設(shè)計的修改，達到實現(xiàn)電路合理設(shè)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(yīng)模型的提取，完成元器件端口電氣特性的分析，將關(guān)鍵信號和敏感信號的傳輸關(guān)系得到最大限度的建立。對高頻開關(guān)電源進行仿真，還要對電源外殼內(nèi)部通風位置和開關(guān)面的電場分布進行分析，確定是否存在能量泄露，以免產(chǎn)生較大電磁輻射。

針對電源屏蔽結(jié)構(gòu)，需要采用PLO仿真，得到與暗室測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，如穿過機箱的電纜等[3]。通過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

對子系統(tǒng)進行仿真，則要重點進行部件結(jié)構(gòu)研究，利用CAD實現(xiàn)幾何模型的導(dǎo)入，節(jié)省仿真建模時間。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，可以對其電磁特性展開分析，完成系統(tǒng)電磁兼容的設(shè)計優(yōu)化。采用仿真軟件，也能對系統(tǒng)所受的僅電磁場敷設(shè)進行測量，確定系統(tǒng)電磁場分布情況。

3.開關(guān)電源充電器的電路設(shè)計研究

3.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(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，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(zhuǎn)移，實現(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，實現(xiàn)電源升降壓調(diào)節(jié)。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(guān)，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(wěn)定參考電壓的提供。而電路內(nèi)部有兩個電壓源，即1.2V和1.4V。采用電壓比較器對多路復(fù)用開關(guān)輸出信號進行比較，則能實現(xiàn)泵脈沖信號控制，滿足輸出電壓的調(diào)節(jié)需求。

3.2 控制電路設(shè)計

針對開關(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)計時可以通過增強輸入和輸出端口濾波設(shè)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(shè)計上，為減少電源受到的電磁干擾，還要使電流經(jīng)過整流器和濾波器后進入電壓調(diào)節(jié)器，以便得到穩(wěn)定的直流電源。具體來講，就是在電流經(jīng)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(shù)的目的，完成全波整流器電路的設(shè)計。在信號采集方面，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，無論輸入電壓或負載是否發(fā)生變化，都能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。

3.3 電路設(shè)計效果

從電路設(shè)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(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，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(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(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)計首先需要考慮的問題。而通過電磁仿真分析，則能在開關(guān)電源充電器產(chǎn)品設(shè)計前對存在于元器件和電路子系統(tǒng)間的電磁兼容問題進行消除。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，則能使產(chǎn)品抗干擾能力得到增強，保證產(chǎn)品實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，因此能夠更好的滿足產(chǎn)品設(shè)計需求。