開(kāi)關(guān)電源離散時(shí)域法仿真與詳解開(kāi)關(guān)電源嘯叫的原因
采用SPICE和PSPICE通用電路模擬程序，對開(kāi)關(guān)電源仿真的優(yōu)點(diǎn)是可以利用通用電路分析程序的特點(diǎn)，直接由電路仿真，不需要列出電路的方程式，只需要按照規定的胳式輸人，就可以對開(kāi)關(guān)穩壓電源或開(kāi)關(guān)轉換器進(jìn)行仿真，并得到瞬態(tài)時(shí)域響應或頻域特性。但這種仿真方法的缺點(diǎn)是計算效率低、仿真時(shí)間長(cháng)。用SPICE和PSPICE仿真的理論根據是狀態(tài)空間平均法，當擾動(dòng)信號的頻率比開(kāi)關(guān)頻率低很多時(shí)，能保證一定的仿真準確度。但更精確的仿真方法是離散時(shí)域法。
從本質(zhì)上來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)離散的非線(xiàn)性系統，如果利用狀態(tài)空間列出非線(xiàn)性系統的分段線(xiàn)性方程用計算機求解，可以比較精確地進(jìn)行分析研究，這就是所謂離散時(shí)域仿真法。離散時(shí)域法，可以對多環(huán)控制系統進(jìn)行仿真，以達到實(shí)現不同的控制規律，快速、準確、高效率地研究電路變化和（或）元器件參數變化時(shí)對系統瞬態(tài)特性的影晌�？梢杂脕�(lái)仿真穩態(tài)過(guò)程（如電壓、電流的紋波等）、大信號響應（如啟動(dòng)過(guò)程等）及小信號響應（如計算開(kāi)關(guān)電源的特征值、穩定性分析、校驗控制電路的設計等）。
離散時(shí)域仿真法也有缺點(diǎn)，即這種仿真法得不到解析形式的數學(xué)方程，必須完全依靠計算機的數值計算分析，物理概念不清晰。
在應用離散時(shí)域法仿真時(shí)，應首先建立一個(gè)等效的非線(xiàn)性迭代時(shí)域模型。其基本方法是：列出系統的分段線(xiàn)性狀態(tài)方程，而后求狀態(tài)轉移規律，并由此導出非線(xiàn)性差分方程。
用牛頓迭代法可以求出精確的平衡點(diǎn)。當求解非線(xiàn)性差分方程時(shí)，需要確定開(kāi)關(guān)的轉換時(shí)刻，即各個(gè)分段線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )的邊界條件。非線(xiàn)性差分方程的時(shí)域解就是大信號瞬態(tài)響應。
在進(jìn)行小信號分析時(shí)，先要在平衡點(diǎn)附近對開(kāi)關(guān)電源線(xiàn)性化，以便得到線(xiàn)性差分方程，應用z變換可以在Z域內分析小信號特性，如穩定性、瞬態(tài)響應等。
現有的仿真算法，快速性和準確性是一大矛盾，常規的定步長(cháng)積分仿真方法很難用于開(kāi)關(guān)電源，其原因有二：一是運算量大，如為了保證足夠的準確度，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內往往要求解幾百次微分方程到幾千次微分方程，乘法運算次數很大；二是精度低，有限的積分步長(cháng)將會(huì )造成開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計算誤差（截斷誤差）較大，這種誤差的出現對開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)過(guò)程影響很大。若步長(cháng)太小，不僅計算時(shí)間長(cháng)，而且在狀態(tài)推移過(guò)程中，數值計算也會(huì )造成很大的積累誤差。
凡是做過(guò)開(kāi)發(fā)工作的人員都有這樣的經(jīng)歷，測試開(kāi)關(guān)電源或在實(shí)驗中有聽(tīng)到類(lèi)似產(chǎn)品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來(lái)：其聲響或大或小，或時(shí)有時(shí)無(wú);其韻律或深沉或刺耳，或變化無(wú)常者皆有。
PWM IC接地走線(xiàn)失誤：通常產(chǎn)品表現為會(huì )有部分能正常工作，但有部分產(chǎn)品卻無(wú)法帶載并有可能無(wú)法起振的故障，特別是應用某些低功耗IC時(shí)，更有可能無(wú)法正常工作。曾用過(guò)SG6848試板，由于當初沒(méi)有透徹了解IC的性能，憑著(zhù)經(jīng)驗便匆匆layout，結果試驗時(shí)竟然不能做寬電壓測試。
光耦（Opto Coupler）工作電流點(diǎn)走線(xiàn)失誤：當光耦的工作電流電阻的位置連接在次級濾波電容之前時(shí)也會(huì )有嘯叫的可能，特別是當帶載越多時(shí)更甚。
變壓器（Transformer）浸漆不良：包括未含浸凡立水（Varnish）。嘯叫并引起波形有尖刺，但一般帶載能力正常，特別說(shuō)明：輸出功率越大者嘯叫越甚之，小功率者則表現不一定明顯。在一款72W的充電器產(chǎn)品中就有過(guò)帶載不良的經(jīng)驗，并在此產(chǎn)品中發(fā)現對磁芯的材質(zhì)有著(zhù)嚴格的要求。（此款產(chǎn)品客戶(hù)要求較為嚴格）補充一點(diǎn)，當變壓器的設計欠佳也有可能工作時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生異響。
基準穩壓（Regulator）IC TL431的接地線(xiàn)失誤：同樣的次級的基準穩壓IC的接地和初級IC的接地一樣有著(zhù)類(lèi)似的要求，那就是都不能直接和變壓器的冷地熱地相連接。如果連在一起的后果就是帶載能力下降并且嘯叫聲和輸出功率的大小呈正比。當輸出負載較大，接近電源功率極限時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器可能會(huì )進(jìn)入一種不穩定狀態(tài)：前一周期開(kāi)關(guān)管占空比過(guò)大，導通時(shí)間過(guò)長(cháng)，通過(guò)高頻變壓器傳輸了過(guò)多的能量;直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷在下一個(gè)周期內沒(méi)有產(chǎn)生令開(kāi)關(guān)管導通的驅動(dòng)信號或占空比過(guò)小;開(kāi)關(guān)管在之后的整個(gè)周期內為截止狀態(tài)，或者導通時(shí)間過(guò)短;儲能電感經(jīng)過(guò)多于一整個(gè)周期的能量釋放，輸出電壓下降，開(kāi)關(guān)管下一個(gè)周期內的占空比又會(huì )大……如此周而復始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動(dòng)，發(fā)出人耳可以聽(tīng)到的較低頻率的聲音。同時(shí)，輸出電壓波動(dòng)也會(huì )較正常工作增大。當單位時(shí)間內間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個(gè)可觀(guān)比例時(shí)，甚至會(huì )令原本工作在超聲頻段的變壓器振動(dòng)頻率降低，進(jìn)入人耳可聞 的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。
此時(shí)的開(kāi)關(guān)變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時(shí)刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來(lái)，相信有些用戶(hù)曾經(jīng)有過(guò)類(lèi)似的經(jīng)歷。
空載，或者負載很輕時(shí)開(kāi)關(guān)管也有可能出現間歇性的全截止周期，開(kāi)關(guān)變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。針對此問(wèn)題，可通過(guò)在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當不帶載或者負載太輕時(shí)，變壓器在工作時(shí)所產(chǎn)生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會(huì )耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。這個(gè)雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時(shí)，那么電路就會(huì )形成低頻自激。變壓器的磁芯不會(huì )發(fā)出聲音。我們知道，人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20--20KHZ。所以我們在設計電路時(shí)，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來(lái)看，你最好是在反饋回路上加一個(gè)帶通電路，以防止低頻自激�；蛘呤菍⒛愕�開(kāi)關(guān)電源做成固定頻率的即可。
大功率開(kāi)關(guān)電源短路嘯叫
相信大家遇到過(guò)這種情況，開(kāi)關(guān)電源在滿(mǎn)載后突然將電源短路測試，有時(shí)候會(huì )聽(tīng)到電源有嘯叫的情況;或者是在設置電流保護時(shí)，當電流調試到某一段位，會(huì )有嘯叫，其嘯叫的聲音抑揚頓挫，甚是煩人。
究其原因主要為以下：
當輸出負載較大，接近電源功率極限時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器可能會(huì )進(jìn)入一種不穩定狀態(tài)：前一周期開(kāi)關(guān)管占空比過(guò)大，導通時(shí)間過(guò)長(cháng)，通過(guò)高頻變壓器傳輸了過(guò)多的能量;直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷，在下一個(gè)周期內沒(méi)有產(chǎn)生令開(kāi)關(guān)管導通的驅動(dòng)信號或占空比過(guò)小;開(kāi)關(guān)管在之后的整個(gè)周期內為截止狀態(tài)，或者導通時(shí)間過(guò)短;儲能電感經(jīng)過(guò)多于整個(gè)周期的能量釋放，輸出電壓下降，開(kāi)關(guān)管下一個(gè)周期內的占空比又會(huì )大，如此周而復始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動(dòng)，發(fā)出人耳可以聽(tīng)到的較低頻率的聲音。 同時(shí)，輸出電壓波動(dòng)也會(huì )較正常工作增大。當單位時(shí)間內間歇性全截止周期數量達到總周期數的一個(gè)可觀(guān)比例時(shí)，甚至會(huì )令原本工作在超聲頻段的變壓器振動(dòng)頻率降低，進(jìn)入人耳可聞 的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。
此時(shí)的開(kāi)關(guān)變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時(shí)刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來(lái)，相信有些用戶(hù)曾經(jīng)有過(guò)類(lèi)似的經(jīng)歷�？蛰d，或者負載很輕時(shí)開(kāi)關(guān)管也有可能出現間歇性的全截止周期，開(kāi)關(guān)變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。
針對此問(wèn)題，可通過(guò)在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當不帶載或者負載太輕時(shí)，變壓器在工作時(shí)所生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會(huì )耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。這個(gè)雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當低頻波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時(shí)，那么電路就會(huì )形成低頻自激。變壓器的磁芯不會(huì )發(fā)出聲音。我們知道，人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20--20KHZ.所以我們在設計電路時(shí)，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來(lái)看，你最好是在反饋回路上加一個(gè)帶通電路，以防止低頻自激�；蛘呤菍⒛愕�開(kāi)關(guān)電源做成固定頻率的即可。
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