开关电源离散时域法仿真与详解开关电源啸叫的原因

采用SPICE和PSPICE通用电路模拟程序,对开关电源仿真的优点是可以利用通用电路分析程序的特点,直接由电路仿真,不需要列出电路的方程式,只需要按照规定的胳式输人,就可以对开关稳压电源或开关转换器进行仿真,并得到瞬态时域响应或频域特性。但这种仿真方法的缺点是计算效率低、仿真时间长。用SPICE和PSPICE仿真的理论根据是状态空间平均法,当扰动信号的频率比开关频率低很多时,能保证一定的仿真准确度。但更精确的仿真方法是离散时域法。
  从本质上来看,开关电源是一个离散的非线性系统,如果利用状态空间列出非线性系统的分段线性方程用计算机求解,可以比较精确地进行分析研究,这就是所谓离散时域仿真法。离散时域法,可以对多环控制系统进行仿真,以达到实现不同的控制规律,快速、准确、高效率地研究电路变化和(或)元器件参数变化时对系统瞬态特性的影晌。可以用来仿真稳态过程(如电压、电流的纹波等)、大信号响应(如启动过程等)及小信号响应(如计算开关电源的特征值、稳定性分析、校验控制电路的设计等)。
  离散时域仿真法也有缺点,即这种仿真法得不到解析形式的数学方程,必须完全依靠计算机的数值计算分析,物理概念不清晰。
  在应用离散时域法仿真时,应首先建立一个等效的非线性迭代时域模型。其基本方法是:列出系统的分段线性状态方程,而后求状态转移规律,并由此导出非线性差分方程。
  用牛顿迭代法可以求出精确的平衡点。当求解非线性差分方程时,需要确定开关的转换时刻,即各个分段线性网络的边界条件。非线性差分方程的时域解就是大信号瞬态响应。
  在进行小信号分析时,先要在平衡点附近对开关电源线性化,以便得到线性差分方程,应用z变换可以在Z域内分析小信号特性,如稳定性、瞬态响应等。
  现有的仿真算法,快速性和准确性是一大矛盾,常规的定步长积分仿真方法很难用于开关电源,其原因有二:一是运算量大,如为了保证足够的准确度,在一个开关周期内往往要求解几百次微分方程到几千次微分方程,乘法运算次数很大;二是精度低,有限的积分步长将会造成开关电源开关时刻的计算误差(截断误差)较大,这种误差的出现对开关电源的瞬态过程影响很大。若步长太小,不仅计算时间长,而且在状态推移过程中,数值计算也会造成很大的积累误差。

 

凡是做过开发工作的人员都有这样的经历,测试开关电源或在实验中有听到类似产品打高压不良的漏电声响或高压拉弧的声音不请自来:其声响或大或小,或时有时无;其韵律或深沉或刺耳,或变化无常者皆有。

    PWM IC接地走线失误:通常产品表现为会有部分能正常工作,但有部分产品却无法带载并有可能无法起振的故障,特别是应用某些低功耗IC时,更有可能无法正常工作。曾用过SG6848试板,由于当初没有透彻了解IC的性能,凭着经验便匆匆layout,结果试验时竟然不能做宽电压测试。
    光耦(Opto Coupler)工作电流点走线失误:当光耦的工作电流电阻的位置连接在次级滤波电容之前时也会有啸叫的可能,特别是当带载越多时更甚。
    变压器(Transformer)浸漆不良:包括未含浸凡立水(Varnish)。啸叫并引起波形有尖刺,但一般带载能力正常,特别说明:输出功率越大者啸叫越甚之,小功率者则表现不一定明显。在一款72W的充电器产品中就有过带载不良的经验,并在此产品中发现对磁芯的材质有着严格的要求。(此款产品客户要求较为严格)补充一点,当变压器的设计欠佳也有可能工作时振动产生异响。
    基准稳压(Regulator)IC TL431的接地线失误:同样的次级的基准稳压IC的接地和初级IC的接地一样有着类似的要求,那就是都不能直接和变压器的冷地热地相连接。如果连在一起的后果就是带载能力下降并且啸叫声和输出功率的大小呈正比。当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻 的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。

此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。
    空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1.2绕组。这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ。所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。
    大功率开关电源短路啸叫
    相信大家遇到过这种情况,开关电源在满载后突然将电源短路测试,有时候会听到电源有啸叫的情况;或者是在设置电流保护时,当电流调试到某一段位,会有啸叫,其啸叫的声音抑扬顿挫,甚是烦人。
    究其原因主要为以下:
    当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断,在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大,如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。 同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻 的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。
此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。
    针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1.2绕组。这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ.所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。


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