开关电源充电器的电磁仿真及电路设计

摘要：相较于线性稳压电源，开关电源充电器具有功耗小、体积小、效率高等优点，但也容易受到电磁干扰的影响。基于这种认识，本文在对开关电源充电器展开分析的基础上，对产品的电磁仿真方法进行了分析，然后实现了充电器电路的设计。从产品性能测试情况来看，采用该种方法可以完成电压稳定输出的充电器产品的设计。

关键词：开关电源；充电器；电磁仿真

1.开关电源充电器充电器概述

在电子设备中，电源为重要的组成部分，能否实现电源高效管理直接影响产品性能。而针对便携式设备，对电源输出电压、体积、可靠性等有不同的要求。在电子设备向着智能化、轻薄化和多功能的方向发展的同时，包含电池在内的一些传统电源已经难以在容量、体积等方面满足设备功耗要求。而实现开关电源充电器的设计，则能对开关电源重量轻、体积小、能量转换效率高等优势进行充分利用，满足现代电子设备的充电需求[1]。

2.开关电源充电器的电磁仿真分析

从上述分析来看，开关电源充电器会受到电磁干扰的影响，所以在设计前还应加强电磁仿真分析，以便及早发现电磁兼容隐患，从而通过消除隐患完成电路合理设计。

2.1电磁干扰分析

在开关电源充电器研发方面，还要加强产品电磁仿真分析，即确定产品在抗电磁干扰方面的能力，需要对产品的电磁兼容性进行测试，保证产品质量能够满足要求。针对开关电源充电器，电源噪声干扰主要可以划分为高频震荡噪声和浪涌噪声，采用差模和共模的形式传导，会给周围空间带来辐射噪声。在实际进行电磁仿真测试时，需要完成传导测试、谐波电流测试、浪涌测试等各种测试，确定其能否实现各种电磁噪声干扰的抵抗。在实际进行测试方法选用时，还要结合开关电源电磁干扰产生机理进行分析，方能加强对电源共模和差模噪声源阻抗设计。在实际分析过程中，还要加强仿真技术运用，即完成各种元器件高频模型库的建立，通过仿真在开关电源充电器设计前完成其电磁性能的预测，确保产品得到合理设计。在电磁干扰测试时，需要对被测件产生的非预期电磁分量进行测量，利用时频特性完成产品电磁干扰特性的描述[2]。

2.2电磁干扰测试仿真

从开关电源所受的电磁干扰来看，会受到输入整流回路、开关回路、次级整流回路等各种回路中电感、电容等元器件的电磁干扰，同时也会受到电路构成的空间电磁辐射的干扰。此外，不合理的布线和结构布局，同样会给开关电源带来强烈的电磁干扰。在建模仿真分析时，还应完成元器件和子系统仿真模型的建立，利用计算机完成仿真计算，实现对电磁干扰水平的科学预估。在电磁干扰超出限定值的情况下，可以进行电路设计的修改，达到实现电路合理设计的目标。在仿真建模时，针对分立无源器件，可以通过实验测量完成简化SPICE模型的建立，，会利用电磁场模型提取软件进行相应模型的提取，完成元器件端口电气特性的分析，将关键信号和敏感信号的传输关系得到最大限度的建立。对高频开关电源进行仿真，还要对电源外壳内部通风位置和开关面的电场分布进行分析，确定是否存在能量泄露，以免产生较大电磁辐射。针对电源屏蔽结构，需要采用PLO仿真，得到与暗室测试相符合的仿真分析结果。输入3V，输出3.38V，系统无漏电感造成的电压下降情况。采用该种仿真方法，则能找到系统电磁波泄露源头，如穿过机箱的电缆等[3]。通过从源头上防治电磁泄露，则能使产品电磁屏蔽效果得到改善。对子系统进行仿真，则要重点进行部件结构研究，利用CAD实现几何模型的导入，节省仿真建模时间。变压器二次侧电压尖峰得到了有效抑制，可以减少电源损耗。利用仿真得到的各种系统部件，可以对其电磁特性展开分析，完成系统电磁兼容的设计优化。采用仿真软件，也能对系统所受的仅电磁场敷设进行测量，确定系统电磁场分布情况。

3.开关电源充电器的电路设计研究

3.1电路结构设计

在电路结构设计中，采用基于DC-DC转换器的拓扑结构，利用LTC3245电路作为电源电路。而采用该种电路结构，从电磁仿真结果来看电磁干扰较小，能够拥有1:1降压、2:1降压和1:2升压这三种转换模式，通过外界快速充电电容即能结合输入电压和输出电压完成不同转换率的选择。在输入电压超出输出电压两倍时，即选择2:1降压模式，在输入电压在Vout和2Vout之间时，选择1:1降压模式，输入电压小于输出电压选择1:2升压模式。对输出电压进行检测，则能完成每个周期电荷量转移，实现转换率的调节。采用该种方式，可以降低输出纹波。在LTC3245电路中，拥有电荷泵、基准电压源、输出电压可调和PWM控制等部分，以电荷泵为核心，实现电源升降压调节。利用PWM控制信号，则能进行泵的充放电控制。利用MOS管作为模拟开关，则能使输入电阻得到减小，达到提高电路输出效率的目的。利用基准电压源，可以进行稳定参考电压的提供。而电路内部有两个电压源，即1.2V和1.4V。采用电压比较器对多路复用开关输出信号进行比较，则能实现泵脉冲信号控制，满足输出电压的调节需求。

3.2控制电路设计

针对开关电源受到的各种电磁干扰，如谐波电流干扰、线路传导干扰等，在充电器设计时可以通过增强输入和输出端口滤波设计减小干扰，也能通过加强接地处理减少干扰影响，促使电路性能得到进一步提高。在控制电路设计上，为减少电源受到的电磁干扰，还要使电流经过整流器和滤波器后进入电压调节器，以便得到稳定的直流电源。具体来讲，就是在电流经过半波整流电路后，会通过二极管VD。而采用正和负两种半波整流二极管，则能使电流在正弦周期中通过一半，达到引进负半周期参数的目的，完成全波整流器电路的设计。在信号采集方面，多数电路可以在直流电压下稳定控制。而在与负载连接方面，需要采用串联方法，促使稳压电路输出电压与稳压二极管稳压值一致，从而使电压稳定在固定值上。采取该种控制方式，无论输入电压或负载是否发生变化，都能实现稳定电压输出。

3.3电路设计效果

从电路设计效果来看，在充电器工作在固定输出降压模式的情况下，最大输出电流为180mA，电压为3.3V和5V，能够为此稳定输出。在输出电压为3.3V的条件下，电压纹波为44mV；在输出电压为5V的条件下，电压纹波为52mV。由此可见，在该模式下工作，充电器可以保持较小的电压纹波，所受的电磁干扰较小。而在输出升压模式下，最大输出电流为110mA，电压为3.3V和5V，能够为此稳定输出。在输出电压为3.3V和5V的条件下，电压纹波为48mV。此外，在充电器输入电压较大的情况下，输出电压达到5V，可以更快的完成电压转换，转换效率为73%左右，输出电压为3.3V时则能达到73%。分析原因可知，输入电压增加，输出电压不变，将导致充电器产生更大的功率损耗，因此将导致产品转换效率下降。

4.结论

在有限的时空条件中，伴随着电子设备的增多，频率资源占用的密集度不断增大，促使电磁干扰已经成为了电路设计首先需要考虑的问题。而通过电磁仿真分析，则能在开关电源充电器产品设计前对存在于元器件和电路子系统间的电磁兼容问题进行消除。在此基础上实现电路结构合理设计，则能使产品抗干扰能力得到增强，保证产品实现电压的稳定输出，因此能够更好的满足产品设计需求。

参考文献

[1]向敏,赵星宇.一种便携式通信设备开关电源设计[J].科技视界,2014(02):54-55+244.

[2]马超兵.基于DSP的软件脉宽调制型电瓶车充电器开关电源设计[J].机电信息,2013(09):140-141.

[3]张洁喜,刘彦呈,张保凯.铅酸蓄电池充电器开关电源的设计和研究[J].低压电器,2012(20):49-53.

作者:邱吉锋 单位:广东省高级技工学校