開關(guān)電源離散時(shí)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(duì)開關(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(guī)定的胳式輸人，就可以對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源或開關(guān)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真，并得到瞬態(tài)時(shí)域響應(yīng)或頻域特性。但這種仿真方法的缺點(diǎn)是計(jì)算效率低、仿真時(shí)間長。用SPICE和PSPICE仿真的理論根據(jù)是狀態(tài)空間平均法，當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)的頻率比開關(guān)頻率低很多時(shí)，能保證一定的仿真準(zhǔn)確度。但更精確的仿真方法是離散時(shí)域法。
從本質(zhì)上來看，開關(guān)電源是一個(gè)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(jì)算機(jī)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(duì)多環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)不同的控制規(guī)律，快速、準(zhǔn)確、高效率地研究電路變化和（或）元器件參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影晌�？梢杂脕矸抡娣�(wěn)態(tài)過程（如電壓、電流的紋波等）、大信號(hào)響應(yīng)（如啟動(dòng)過程等）及小信號(hào)響應(yīng)（如計(jì)算開關(guān)電源的特征值、穩(wěn)定性分析、校驗(yàn)控制電路的設(shè)計(jì)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(shù)學(xué)方程，必須完全依靠計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算分析，物理概念不清晰。
在應(yīng)用離散時(shí)域法仿真時(shí)，應(yīng)首先建立一個(gè)等效的非線性迭代時(shí)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(diǎn)。當(dāng)求解非線性差分方程時(shí)，需要確定開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，即各個(gè)分段線性網(wǎng)絡(luò)的邊界條件。非線性差分方程的時(shí)域解就是大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)。
在進(jìn)行小信號(hào)分析時(shí)，先要在平衡點(diǎn)附近對(duì)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(hào)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(zhǔn)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(yùn)算量大，如為了保證足夠的準(zhǔn)確度，在一個(gè)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(yùn)算次數(shù)很大；二是精度低，有限的積分步長將會(huì)造成開關(guān)電源開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算誤差（截?cái)嗾`差）較大，這種誤差的出現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的瞬態(tài)過程影響很大。若步長太小，不僅計(jì)算時(shí)間長，而且在狀態(tài)推移過程中，數(shù)值計(jì)算也會(huì)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(cè)試開關(guān)電源或在實(shí)驗(yàn)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(qǐng)自來：其聲響或大或小，或時(shí)有時(shí)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(huì)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(shí)，更有可能無法正常工作。曾用過SG6848試板，由于當(dāng)初沒有透徹了解IC的性能，憑著經(jīng)驗(yàn)便匆匆layout，結(jié)果試驗(yàn)時(shí)竟然不能做寬電壓測(cè)試。
光耦（Opto Coupler）工作電流點(diǎn)走線失誤：當(dāng)光耦的工作電流電阻的位置連接在次級(jí)濾波電容之前時(shí)也會(huì)有嘯叫的可能，特別是當(dāng)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(yàn)，并在此產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)對(duì)磁芯的材質(zhì)有著嚴(yán)格的要求。（此款產(chǎn)品客戶要求較為嚴(yán)格）補(bǔ)充一點(diǎn)，當(dāng)變壓器的設(shè)計(jì)欠佳也有可能工作時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生異響。
基準(zhǔn)穩(wěn)壓（Regulator）IC TL431的接地線失誤：同樣的次級(jí)的基準(zhǔn)穩(wěn)壓IC的接地和初級(jí)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?zé)岬叵噙B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(dāng)輸出負(fù)載較大，接近電源功率極限時(shí)，開關(guān)變壓器可能會(huì)進(jìn)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(shí)間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲(chǔ)能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷在下一個(gè)周期內(nèi)沒有產(chǎn)生令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或占空比過小;開關(guān)管在之后的整個(gè)周期內(nèi)為截止?fàn)顟B(tài)，或者導(dǎo)通時(shí)間過短;儲(chǔ)能電感經(jīng)過多于一整個(gè)周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關(guān)管下一個(gè)周期內(nèi)的占空比又會(huì)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(dòng)，發(fā)出人耳可以聽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(dāng)單位時(shí)間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達(dá)到總周期數(shù)的一個(gè)可觀比例時(shí)，甚至?xí)钤竟ぷ髟诔曨l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)的開關(guān)變壓器工作在嚴(yán)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，相信有些用戶曾經(jīng)有過類似的經(jīng)歷。
空載，或者負(fù)載很輕時(shí)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(xiǎn)。針對(duì)此問題，可通過在輸出端預(yù)置假負(fù)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(dāng)不帶載或者負(fù)載太輕時(shí)，變壓器在工作時(shí)所產(chǎn)生的反電勢(shì)不能很好的被吸收。這樣變壓器就會(huì)耦合很多雜波信號(hào)到你的1.2繞組。這個(gè)雜波信號(hào)包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當(dāng)?shù)皖l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，人的聽覺范圍是20--20KHZ。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)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(cè)試，有時(shí)候會(huì)聽到電源有嘯叫的情況;或者是在設(shè)置電流保護(hù)時(shí)，當(dāng)電流調(diào)試到某一段位，會(huì)有嘯叫，其嘯叫的聲音抑揚(yáng)頓挫，甚是煩人。
究其原因主要為以下：
當(dāng)輸出負(fù)載較大，接近電源功率極限時(shí)，開關(guān)變壓器可能會(huì)進(jìn)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(shí)間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲(chǔ)能電感本周期內(nèi)能量未充分釋放，經(jīng)PWM判斷，在下一個(gè)周期內(nèi)沒有產(chǎn)生令開關(guān)管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或占空比過小;開關(guān)管在之后的整個(gè)周期內(nèi)為截止?fàn)顟B(tài)，或者導(dǎo)通時(shí)間過短;儲(chǔ)能電感經(jīng)過多于整個(gè)周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關(guān)管下一個(gè)周期內(nèi)的占空比又會(huì)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(dòng)，發(fā)出人耳可以聽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(dāng)單位時(shí)間內(nèi)間歇性全截止周期數(shù)量達(dá)到總周期數(shù)的一個(gè)可觀比例時(shí)，甚至?xí)钤竟ぷ髟诔曨l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)的開關(guān)變壓器工作在嚴(yán)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，相信有些用戶曾經(jīng)有過類似的經(jīng)歷�？蛰d，或者負(fù)載很輕時(shí)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(xiǎn)。
針對(duì)此問題，可通過在輸出端預(yù)置假負(fù)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(dāng)不帶載或者負(fù)載太輕時(shí)，變壓器在工作時(shí)所生的反電勢(shì)不能很好的被吸收。這樣變壓器就會(huì)耦合很多雜波信號(hào)到你的1.2繞組。這個(gè)雜波信號(hào)包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當(dāng)?shù)皖l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，人的聽覺范圍是20--20KHZ.所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)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�開關(guān)電源做成固定頻率的即可。
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