SMPS变压器选择和模拟指南

用于计算机电源的SMPS变压器

我通常用笔记本电脑工作，但我还有一台台式电脑，我用它来做软件项目。台式电脑中使用的大型电源和精密电源都使用SMPS变压器在稳压器的输入处进行电隔离。如果您正在设计开关电源，则需要评估所有变压器(包括输入整流和电源变压器部分)的性能，以产生所需的输出电压，并且纹波在您的允许范围内。

什么是SMPS转换器?

SMPS变压器用于开关电源以提供电隔离。隔离电源中的SMPS变压器提供了一个清晰的屏障，防止危险的高压传递到输出，提供了输出电击的安全。隔离电源的缺点是效率低，体积大。非隔离SMPS的效率可超过~95%，而隔离电源的效率通常为70%至90%。

由于封装中使用的SMPS变压器，导致隔离SMPS的低效率。由于这些电源在高电压/电流下运行，它们将强磁场传递到SMPS变压器的核心。当输入交流信号振荡时，SMPS变压器磁芯会产生磁滞现象。在输入电流很大的情况下，变压器铁芯在运行过程中存在饱和的危险，从而导致铁芯产生更严重的迟滞和散热现象。

SMPS变压器和铁芯材料制造商通常提供其组件的迟滞曲线，这使设计人员可以确定输入电流的限制。效率较低的SMPS机组在高电压/电流下运行时会加热到较高的温度，因此它们需要一些热管理策略散热。对于高输出电源单元，散热器通常与安装在机箱上的风扇一起使用，以提供足够的冷却。

放置SMPS变压器

SMPS变压器可以放置在稳压电路中的一个或多个位置。实际电源通常包含多个功率转换和调节阶段，SMPS变压器可能出现在其中任何一个阶段。由于变压器旨在提供电隔离，变压器的常用位置是在输出调节级和开关级之间。SMPS的确切位置取决于电源拓扑结构。使用SMPS转换器的两种常见拓扑是回程转换器和向前转换器．

简化方框图，显示SMPS变压器在电源拓扑结构中的典型位置。

选择高效的SMPS变压器

有许多类型的SMPS变压器，使用不同的铁芯材料，绕组方向和线圈数。大多数SMPS拓扑将使用2线圈变压器，而其他(例如桥接或LLC)将使用3线圈变压器。3线圈变压器通常用于从单个SMPS电路提供多个输出功率电平。

不同的磁芯材料将在不同的磁场强度下饱和，这将决定变压器可以使用的最高电压。您应该始终选择在电源的线性滞后范围内运行的变压器，以最大限度地减少加热和功率损失。部分饱和度和损失数据见下表(数据源）.

smp模拟

在使用组件创建布局之前，您的电源电路总是可以从模拟中受益。基于spice的模拟非常适合检查设备中的信号行为，并帮助您确定是否应该使用替代组件。在为SMPS选择了候选组件后，可以执行一些简单的模拟来评估其行为:

• 瞬态分析:这将帮助您可视化调节器输出上的纹波。

• 参数扫描:这有助于迭代电路中的各种被动值。特别是，这可以用于迭代输出上的不同电感/电容值，作为瞬态分析的一部分。

• 蒙特卡罗灵敏度:所有元件在其额定值中都有一些公差。蒙特卡罗灵敏度模拟可以向您展示输出电平、噪声和纹波是如何受到这些组件公差的影响的。

• 温度敏感性:对于给定的电压/电流级别，大多数组件都会给出一个温度额定值，但是对于不同的输入/输出配置和组件，模拟温度变化也无妨。

• 功率因数建模:这包括一些瞬态分析和频率扫描，因为你想尽量减少总谐波失真和开关期间的功率损失。

• EMI/RFI滤波:在大电流下运行的开关电源因产生辐射EMI而臭名昭著，这可能会被附近的电路接收到。因此，EMI滤波电路通常放置在整流输入级以抑制EMI反馈并抑制输入交流信号上的任何噪声。

当你在处理开关调节器时，你会想要使用一个SMPS组件模型用于PWM振荡器。如果这种模型不适用于所需的振荡器电路，则可以在电路中使用任意分段线性电压源来模拟PWM信号。然后，您可以遍历不同的占空比，以检查输出是否受到影响。

当您需要使用SMPS变压器构建精确的电源调节器时，您将需要使用最好的PCB设计和分析软件．仿真和分析工具用于Allegro的PSpice模拟器和全套分析工具从节奏用于评估来自任何SMPS的信号行为。当您准备为您的系统提供SMPS变压器和其他组件时，您还可以访问制造商部件搜索工具，以及许多其他SPICE模拟器中没有的出色磁性部件编辑器。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．