開關(guān)電源離散時域法仿真與詳解開關(guān)電源嘯叫的原因
采用SPICE和PSPICE通用電路模擬程序，對開關(guān)電源仿真的優(yōu)點是可以利用通用電路分析程序的特點，直接由電路仿真，不需要列出電路的方程式，只需要按照規(guī)定的胳式輸人，就可以對開關(guān)穩(wěn)壓電源或開關(guān)轉(zhuǎn)換器進行仿真，并得到瞬態(tài)時域響應(yīng)或頻域特性。但這種仿真方法的缺點是計算效率低、仿真時間長。用SPICE和PSPICE仿真的理論根據(jù)是狀態(tài)空間平均法，當擾動信號的頻率比開關(guān)頻率低很多時，能保證一定的仿真準確度。但更精確的仿真方法是離散時域法。
從本質(zhì)上來看，開關(guān)電源是一個離散的非線性系統(tǒng)，如果利用狀態(tài)空間列出非線性系統(tǒng)的分段線性方程用計算機求解，可以比較精確地進行分析研究，這就是所謂離散時域仿真法。離散時域法，可以對多環(huán)控制系統(tǒng)進行仿真，以達到實現(xiàn)不同的控制規(guī)律，快速、準確、高效率地研究電路變化和（或）元器件參數(shù)變化時對系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影晌。可以用來仿真穩(wěn)態(tài)過程（如電壓、電流的紋波等）、大信號響應(yīng)（如啟動過程等）及小信號響應(yīng)（如計算開關(guān)電源的特征值、穩(wěn)定性分析、校驗控制電路的設(shè)計等）。
離散時域仿真法也有缺點，即這種仿真法得不到解析形式的數(shù)學方程，必須完全依靠計算機的數(shù)值計算分析，物理概念不清晰。
在應(yīng)用離散時域法仿真時，應(yīng)首先建立一個等效的非線性迭代時域模型。其基本方法是：列出系統(tǒng)的分段線性狀態(tài)方程，而后求狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，并由此導(dǎo)出非線性差分方程。
用牛頓迭代法可以求出精確的平衡點。當求解非線性差分方程時，需要確定開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻，即各個分段線性網(wǎng)絡(luò)的邊界條件。非線性差分方程的時域解就是大信號瞬態(tài)響應(yīng)。
在進行小信號分析時，先要在平衡點附近對開關(guān)電源線性化，以便得到線性差分方程，應(yīng)用z變換可以在Z域內(nèi)分析小信號特性，如穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)等。
現(xiàn)有的仿真算法，快速性和準確性是一大矛盾，常規(guī)的定步長積分仿真方法很難用于開關(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，在一個開關(guān)周期內(nèi)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(shù)很大；二是精度低，有限的積分步長將會造成開關(guān)電源開關(guān)時刻的計算誤差（截斷誤差）較大，這種誤差的出現(xiàn)對開關(guān)電源的瞬態(tài)過程影響很大。若步長太小，不僅計算時間長，而且在狀態(tài)推移過程中，數(shù)值計算也會造成很大的積累誤差。
凡是做過開發(fā)工作的人員都有這樣的經(jīng)歷，測試開關(guān)電源或在實驗中有聽到類似產(chǎn)品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來：其聲響或大或小，或時有時無;其韻律或深沉或刺耳，或變化無常者皆有。
PWM IC接地走線失誤：通常產(chǎn)品表現(xiàn)為會有部分能正常工作，但有部分產(chǎn)品卻無法帶載并有可能無法起振的故障，特別是應(yīng)用某些低功耗IC時，更有可能無法正常工作。曾用過SG6848試板，由于當初沒有透徹了解IC的性能，憑著經(jīng)驗便匆匆layout，結(jié)果試驗時竟然不能做寬電壓測試。
光耦（Opto Coupler）工作電流點走線失誤：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也會有嘯叫的可能，特別是當帶載越多時更甚。
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，特別說明：輸出功率越大者嘯叫越甚之，小功率者則表現(xiàn)不一定明顯。在一款72W的充電器產(chǎn)品中就有過帶載不良的經(jīng)驗，并在此產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)對磁芯的材質(zhì)有著嚴格的要求。（此款產(chǎn)品客戶要求較為嚴格）補充一點，當變壓器的設(shè)計欠佳也有可能工作時振動產(chǎn)生異響。
基準穩(wěn)壓（Regulator）IC TL431的接地線失誤：同樣的次級的基準穩(wěn)壓IC的接地和初級IC的接地一樣有著類似的要求，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，開關(guān)變壓器可能會進入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關(guān)管占空比過大，導(dǎo)通時間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷在下一個周期內(nèi)沒有產(chǎn)生令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動信號或占空比過小;開關(guān)管在之后的整個周期內(nèi)為截止狀態(tài)，或者導(dǎo)通時間過短;儲能電感經(jīng)過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關(guān)管下一個周期內(nèi)的占空比又會大……如此周而復(fù)始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動，發(fā)出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。當單位時間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達到總周期數(shù)的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞 的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。
此時的開關(guān)變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來，相信有些用戶曾經(jīng)有過類似的經(jīng)歷。
空載，或者負載很輕時開關(guān)管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截止周期，開關(guān)變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。針對此問題，可通過在輸出端預(yù)置假負載的方法解決，但在一些“節(jié)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，變壓器在工作時所產(chǎn)生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。這個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?shù)皖l波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發(fā)出聲音。我們知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ。所以我們在設(shè)計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來看，你最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激�；蛘呤菍⒛愕�開關(guān)電源做成固定頻率的即可。
大功率開關(guān)電源短路嘯叫
相信大家遇到過這種情況，開關(guān)電源在滿載后突然將電源短路測試，有時候會聽到電源有嘯叫的情況;或者是在設(shè)置電流保護時，當電流調(diào)試到某一段位，會有嘯叫，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，開關(guān)變壓器可能會進入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關(guān)管占空比過大，導(dǎo)通時間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷，在下一個周期內(nèi)沒有產(chǎn)生令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動信號或占空比過小;開關(guān)管在之后的整個周期內(nèi)為截止狀態(tài)，或者導(dǎo)通時間過短;儲能電感經(jīng)過多于整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關(guān)管下一個周期內(nèi)的占空比又會大，如此周而復(fù)始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動，發(fā)出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。 同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。當單位時間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達到總周期數(shù)的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞 的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。
此時的開關(guān)變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來，相信有些用戶曾經(jīng)有過類似的經(jīng)歷。空載，或者負載很輕時開關(guān)管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截止周期，開關(guān)變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。
針對此問題，可通過在輸出端預(yù)置假負載的方法解決，但在一些“節(jié)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，變壓器在工作時所生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。這個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?shù)皖l波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發(fā)出聲音。我們知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ.所以我們在設(shè)計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來看，你最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激。或者是將你的開關(guān)電源做成固定頻率的即可。
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