基于LTSPICE的手机充电器电路仿真设计实验

陈 勇 赵建明

(电子科技大学 电子科学与工程学院， 成都 610054)

在“模拟电子技术”的课程教学中，计算机模拟设计是课程实践的重要环节[1]。LTSPICE是 Analog Devices 公司推出的运用于Windows平台的免费模拟电路仿真设计工具，它能运行在32位及64位Windows平台，便于学生课后自主练习，非常适合作为学生电路CAD仿真实验平台[2]。而自激式反激转换器RCC(Ringing Choke Convertor)结构的手机充电器电路是最为简单的开关电源变换器。采用LTSPICE作为设计工具对手机充电器电路进行设计仿真，可以使学生掌握SPICE电路模拟基本原理，又可以理解开关电源变换器工作机理，还能对器件模型具有深入的理解[3]。该实验作为本科专业选修课程“集成电路CAD”所开设的配套综合性实验，受到了学生的普遍欢迎。

1 RCC结构充电器电路工作原理

RCC结构的开关电源不同于一般脉宽调制开关电源，它是通过抑制自激振荡的过程改变开关管导通/截止的占空比稳定输出电压，而不是控制每个振荡周期正程的脉宽，因此主要适合于小功率运用[4]。图1为RCC结构的手机充电器电路，图中D2、R3、C2组成RCD吸收回路，减少漏感在开关管上形成的电压尖峰，防止开关管Q1关断过压损坏。当接通电源后，启动电阻R1使开关管Q1导通，流过L1的电流在脉冲变压器中存储磁能，而变压器绕组L2与R2、C4组成的正反馈回路中C4充电逐渐饱和，使开关管Q1进入截止区，变压器释放磁能，绕组L3得到的电压经高频整流二极管D4向电容C5充电。当输出电压大于5 V，则经过R7使稳压二极管D5击穿，光电耦合器U1导通，使变压器L2绕组由D3整流的输出电压加到反馈控制管Q2的基极，使Q2饱和导通，从而拉低开关管Q1的基极电压，使其停振。R5完成过流保护功能，即当开关管Q1发射极电流过大时，R5上电压降增大，同样使控制管Q2饱和导通，使开关管Q1停止工作。当输出电压低于5 V时稳压管D5截止，控制管Q2随即截止，开关管Q1的基极电位增高，又开始振荡重复上述过程。其结果通过周期性的振荡抑制过程保持输出电压的稳定。

图1 RCC结构充电器电路

2 器件模型与参数

由于电路开关管Q1需要承受市电整流后300 V以上高压，故采用BVceo为400 V的13001双极晶体管，反馈控制管Q2选择8050，但LTSPICE模型库中没有这两种晶体管模型。而作为验证性模拟实验，Q1、Q2均可采用LTSPICE模型库中常用的2N2222来替代。高频输出整流二极管D4应采用高速快恢复二极管，这里采用理想二极管模型替代，不会影响仿真结果。光电耦合器U1直接在LTSPICE库中选择PC817A，为减小损耗，D2、D3选用库中高速开关二极管1N4148。市电整流二极管D1选用耐压1000 V的常规二极管1N4002，稳压二极管采用稳压值4.7 V的1N750。由于LTSPICE中没有1N4002的模型参数，通过在另外的电路仿真软件Orcad/Pspice的模型参数库中，将二极管1N4002的SPICE模型参数复制过来添加到仿真界面[5]，同时为了方便调整输出电压。也将1N750模型参数添加到仿真界面。二极管1N4002的模型参数为：

MODEL 1N4002 D(IS=14.11E-9 N=1.984+ RS=33.89E-3 IKF=94.81 XTI=3+EG=1.110 CJO=51.17E-12 M=.2762 +VJ=.3905 FC=.5 ISR=100.0E-12+ NR=2 BV=1000.1 IBV=10 TT=4.761E-6)而稳压二极管1N750的SPICE模型参数为：

MODEL 1N750 D(IS=880.5E-18 RS=.25 IKF=0 +N=1 XTI=3 EG=1.11 CJO=175p M=.5516+VJ=.75 FC=.5 ISR=1.859N NR=2 BV=4.7 +IBV=20.245M NBV=1.6989 IBVL=1.9556m +NBVL=14.976 TBV1=-21.277 U)

从LTSPICE模型库中，可以找到光电耦合器PC817的等效电路宏模型文件pc817.sub如下：

subckt PC817 1 2 3 4

R1 N003 2 2

D1 1 N003 LD

G1 3 N004 N003 2 {Igain}

C1 1 2 18p

Q1 3 N004 4[4]NP

model LD D(Is=1e-20 Cjo=18p)

model NP NPN(Bf=1200 Vaf=140 Ikf=100m +Rc=1 Cjc=19p Cje=7p Cjs=7p C2=3e-15)ends PC817

根据该连接网表，得出光耦PC817的等效电路为图2所示，其中电压控制电流源G的增益采用省却值1 mS。

图2 光耦PC817的等效电路模型

3 仿真实验结果

采用上述模型参数，对图1的RCC结构开关电源变换器进行模拟仿真，得出开关管其Q1在启动后一定时间内的集电极电流波形如图3所示，表明电路进入了稳定的周期性振荡抑制过程。

图3 稳定工作时开关管Q1集电极电流

模拟电阻R11上电压得出输出电压随时间变化的关系如图4所示，图中输出电压呈现软启动，这是由于接通电源后开关管周期振荡，逐渐将能量泵入脉冲变压器的结果，而输出电压纹波很大，且电压在6 V以上，高于锂电池充电电压5 V，这一方面是由于光电耦合器中发光管正向压降过高，使得出现反馈的输出电压过大。可降低D5的稳压值，来降低输出电压；另一方面，调整管Q2的饱和压降过大，使得负反馈不足，也会使输出电压过高；此外，变压器绕组L2匝数过大，正反馈过强，也可能是输出电压过大的原因。

图4 输出电压随时间变化的仿真结果

降低稳压二极管D5的稳压值，以及通过降低R7阻值减小R7上的压降，都可将输出电压调整到5 V，但是减小R7阻值会使负反馈深度变化过大，波纹增加。将稳压管D5的模型参数1N750复制出来，通过LTSPICE的SPICE Directive菜单加入电路图中，就可以方便地调整其稳压值Bv，将Bv改为2.7 V,则可使输出电压为5 V。

图5是不同负载电阻的输出电压与时间的关系，即由语句.step param R11 list 0.01 10 1000K来定义负载电阻为0.01 Ω、10 Ω和1000 KΩ的输出电压。由图上，可见负载电阻趋近于零，输出电压也近似为零；而负载电阻1000 KΩ，输出电压增加到6 V左右，电路仍然正常工作，从而验证了电路输出的短路和开路保护功能。采用该语句也可方便地得出该电路的负载调整率。

图5 不同负载电阻的输出电压与时间关系

图6是对晶体管2N2222放大系数参数扫描，其SPICE语句为.step NPN 2N2222(BF) 100 250 25，即 晶体管2N2222放大系数从初始值100扫描至终止值250，步长25。可见需要满足晶体管2N2222放大系数大于150的条件电路才能产生开关振荡，才有稳定的输出电压。

图6 开关管放大系数β对输出特性的影响的扫描

此外，该仿真实验还可以进行温度扫描，模拟对不同环境温度下的电路特性；还可以对输入电压进行扫描，模拟市电变化对电路性能的影响；还可以对输出功率和效率进行分析等等，总之可以方便地对电路进行调试，达到设计要求。

4 结语

模拟电路仿真软件LTSPICE功能强大，使用方便且运行于Windows环境，采用该软件作为仿真工具对RCC结构的手机充电器电路进行辅助设计，既可以使学生理解电路计算机辅助设计的基本方法和手段，又能通过电路的调试深入洞悉RCC开关电源变换器基本原理，还能对器件的等效电路模型和参数进行深入的学习理解，非常适合于模拟电路的计算机辅助设计的实验教学。该实验作为本科专业选修课程“集成电路CAD”所开设的配套综合性实验，受到了学生的普遍欢迎。