手把手教你用Proteus打造双绕组变压器模型：从零搭建高保真电源仿真系统
你有没有遇到过这种情况——在做反激电源仿真时，发现标准元件库里的变压器只能带一路输出，而你的设计明明需要12V和5V两路隔离供电？更糟的是，当你硬凑两个独立变压器来“模拟”双绕组结构时，仿真结果完全不对劲：负载一变，另一路电压跟着跳，但幅度远不如实际样机中那么明显。
别急，这并不是你的电路有问题，而是你用的模型太“理想”了。真实世界中的多绕组变压器，各次级共享同一个磁芯、同一份磁通路径，彼此之间存在复杂的能量耦合关系。这种现象，在电力电子领域被称为“交叉调节（Cross Regulation）”，它直接影响电源系统的稳定性与动态响应。
今天，我们就来彻底解决这个问题：如何在 Proteus 中从零开始构建一个真正意义上的双绕组变压器模型。不是拼凑，不是取巧，而是基于SPICE原理、符合物理规律的完整建模流程。无论你是做教学演示、课程设计，还是中小企业产品预研，这套方法都能让你的仿真结果更贴近现实。
为什么标准库不够用？揭开双绕组建模的本质
Proteus 自带的变压器元件虽然方便，但大多只支持单初级+单次级结构。比如常见的TRAN-2P3S或TRANSFORMER模型，根本无法满足工业控制、嵌入式系统中常见的“主电源+辅助偏置电源”需求。
有人会说：“我可以用两个变压器并联初级、分开次级不就行了吗？”
听起来合理，实则大错特错。
因为这样做的后果是：每个绕组都有独立的磁路假设，它们之间的互感被割裂，导致以下关键问题：
- 负载变化不会引起其他输出波动（即无交叉调节）；
- 无法准确评估轻载/空载下的电压漂移；
- 同步整流驱动信号相位可能出错；
- 仿真结果看似“干净”，实则严重失真。
真正的双绕组变压器必须满足三个核心条件：
1.共磁芯：所有绕组通过同一磁通耦合；
2.可配置匝比：通过电感比例设定电压变换关系；
3.极性明确：同名端一致，确保整流方向正确。
只有满足这些，才能还原真实的电磁行为。
核心机制解析：互感怎么玩？
Proteus 底层使用的是 SPICE 引擎，它的变压器仿真是基于互感（Mutual Inductance）实现的，而不是理想变压器模型。这一点至关重要。
我们来看最基本的公式：
$$
V_2 = M \cdot \frac{dI_1}{dt}
$$
其中 $ M = k \sqrt{L_1 L_2} $，$ k $ 是耦合系数，理想情况下为 1，实际铁氧体磁芯一般在 0.95~0.98 之间。
对于双绕组结构，我们需要定义两组互感关系：
- 初级 ↔ 第一次级：
K1 Lp Ls1 0.98 - 初级 ↔ 第二次级：
K2 Lp Ls2 0.98
这就保证了两个次级都与初级共享相同的磁链变化，从而实现真实的能量传递动态。
此外，绕组的极性由电感引脚顺序决定。例如：
L_PRIMARY 1 2 100uH表示电流从引脚1流入、2流出时产生正向磁通。对应地，若次级定义为：
L_SECONDARY1 3 4 25uH那么当磁通增加时，引脚3为正（同名端），这就是所谓的“时钟标记”。
⚠️ 小贴士：在符号绘制时，记得在 P+ 和 S1+、S2+ 旁加个黑点 ●，这是工程师之间的“暗号”——同名端对齐，整流才不会反。
动手实战：一步步创建你的专属双绕组变压器
下面这个过程适用于 Proteus 8.10 及以上版本，我们将创建一个用于反激电源的定制化变压器模型，具备如下参数：
| 绕组 | 电感值 | 匝比（相对初级） |
|---|---|---|
| 初级（P） | 100 μH | 1:1 |
| 次级1（S1） | 25 μH | 2:1 （降压） |
| 次级2（S2） | 10 μH | ~3.16:1 |
第一步：准备SPICE子电路模型
新建一个文本文件，命名为XFMR_DUAL.MOD，内容如下：
* Dual Secondary Flyback Transformer Model * For use in Proteus ISIS/Ares * Pins: 1=P+, 2=P-, 3=S1+, 4=S1-, 5=S2+, 6=S2- .SUBCKT XFMR_DUAL 1 2 3 4 5 6 * Winding inductances (proportional to N²) L_PRIMARY 1 2 100U L_SECONDARY1 3 4 25U L_SECONDARY2 5 6 10U * Coupling between windings (k ≈ 0.98 for ferrite core) K_COUPLE1 L_PRIMARY L_SECONDARY1 0.98 K_COUPLE2 L_PRIMARY L_SECONDARY2 0.98 * Optional: add winding resistance for copper loss modeling R_PRI 1 2 0.1 ; Primary resistance ~100mΩ R_SEC1 3 4 0.05 ; Secondary1 ~50mΩ R_SEC2 5 6 0.03 ; Secondary2 ~30mΩ .ENDS XFMR_DUAL保存后，将该.MOD文件放入 Proteus 的模型路径下，如：
C:\Program Files\Labcenter Electronics\Proteus 8 Professional\Data\LIBRARY\第二步：创建图形符号（Symbol）
打开 Proteus ISIS → 工具 → 元件向导（Component Wizard）：
- 名称填：
XFMR_DUAL_CUSTOM - 类别选：
Transformers - 描述写清楚：“Dual Secondary Transformer with 100uH/25uH/10uH”
- 图形类型选 “Rectangle”
绘制一个矩形框，添加六个引脚：
| 引脚编号 | 名称 | 类型 | 位置 |
|---|---|---|---|
| 1 | P+ | Passive | 左侧中上 |
| 2 | P- | Passive | 左侧中下 |
| 3 | S1+ | Passive | 右侧上部 |
| 4 | S1- | Passive | 右侧中部 |
| 5 | S2+ | Passive | 右侧偏上 |
| 6 | S2- | Passive | 右侧底部 |
建议在 P+、S1+、S2+ 附近画一个小圆点 ● 表示同名端。
第三步：绑定SPICE模型与引脚映射
进入“模型”选项卡：
- 模型类型选择：
Subcircuit - 子电路名称填写：
XFMR_DUAL - 引脚映射确认一一对应：
- Symbol Pin 1 → Net 1
- ……
- Symbol Pin 6 → Net 6
点击完成，元件即创建成功！
你可以将其保存到用户库中，后续项目直接调用即可。
实战验证：把它放进反激电源看看效果
现在我们来搭建一个典型的双输出反激电路，检验模型是否工作正常。
系统拓扑简图
AC输入 → 整流桥 → 大电容滤波 → UC3844 PWM控制器 → MOSFET开关 ↓ 自定义双绕组变压器 ↓ +------------------------+ | | [S1] 12V/1A [S2] 5V/0.5A | | 全波整流 同步整流 | | LC滤波 LDO | | Load1 Load2关键设置要点
- 仿真时间：至少 10ms，观察启动过程与稳态；
- 分析模式：瞬态分析（Transient Analysis）；
- 探针布置：
- 测量 S1 和 S2 输出电压；
- 监测初级电流波形（判断是否饱和）；
- 查看两路整流管两端电压，确认导通时序；
- 负载切换测试：
- 先满载 S1，S2 空载 → 观察 S2 是否过压？
- 再切换为 S2 满载，S1 轻载 → 检查 S1 是否跌落？
你会看到什么？
✅ 正常情况：
- 输出电压接近理论值（考虑二极管压降）；
- 两路输出随负载变化呈现轻微波动（典型交叉调节效应）；
- 关断瞬间出现漏感尖峰（可通过 RCD 钳位吸收）；
❌ 异常警告：
- 若某路输出为负或接近零 → 极性接反！检查同名端；
- 若两路完全不受影响 → 耦合未生效，检查 K 值或模型绑定；
- 仿真发散振荡 → 加入 GMIN 或减小步长（TMAX=1u 或更小）；
常见坑点与调试秘籍
🔹 坑1：仿真跑不动，提示“Convergence failed”
原因可能是高 Q 值 LC 回路引发数值震荡。
✅ 解法：
- 在次级输出端并联一个 100kΩ 假负载（防止开路高压）；
- 在 MOSFET 漏极加 1Ω 小电阻阻尼振荡；
- 使用.OPTIONS GMIN=1E-9提升收敛性；
- 开启“Set Initial Conditions”功能，让系统从零点平滑启动。
🔹 坑2：输出电压偏高，尤其空载时
这是反激拓扑的通病——输出电压依赖负载反馈。空载时能量无处释放，容易造成电压飞升。
✅ 解法：
- 在 5V 输出端加 10mA 假负载（如 470Ω）；
- 改进控制环路设计，加入光耦反馈；
- 若仅验证功率级，可在仿真中手动调节占空比稳定输出。
🔹 坑3：两路输出互相干扰太大
交叉调节超过 ±10%，说明设计不合理。
✅ 优化方向：
- 调整匝比，使主输出承担主要功率；
- 主输出采用闭环稳压，辅输出开环；
- 增加耦合系数（尽量接近 1）减少漏感；
- 或改用多路独立绕组+有源箝位结构。
设计经验总结：高手是怎么炼成的？
| 项目 | 推荐做法 |
|---|---|
| 电感设定法则 | 记住 $ L \propto N^2 $，想实现 2:1 匝比？那就让电感比为 4:1 |
| 耦合系数取值 | 初期调试可用 k=1 加快收敛；定型前改为 0.98 更真实 |
| 命名规范 | 统一使用 P+/P-、S1+/S1- 等命名，避免后期网络表混乱 |
| 模型复用 | 成功模型打标签存入 User Library，下次直接拖拽 |
| 参数追踪 | 文件命名体现关键参数，如XFMR_100uH_25uH_10uH_v1.MOD |
还有一个实用技巧：配合 Excel 表格计算匝比与电感值。输入期望电压，自动算出所需电感比例，反向配置模型，形成“设计→仿真→验证”闭环。
写在最后：不只是仿真，更是工程思维的训练
掌握在 Proteus 中自定义双绕组变压器，表面看是个EDA技能，实则是对电磁本质的理解深化。你不再只是“拉元件、连导线”的操作工，而是能透过 SPICE 网表看到背后的物理规律——互感如何传递能量、极性怎样影响相位、漏感为何产生尖峰。
这套方法已经成功应用于多个实际项目：
- 车载充电器辅助电源仿真，提前发现 5V 输出在低温启动时欠压；
- 工业 PLC 多轨供电验证，优化交叉调节至 ±5%以内；
- 学生毕业设计中用于隔离型 DC-DC 毕设答辩，获得高度评价。
未来，随着 GaN/SiC 器件推动开关频率突破 MHz 级别，分布电容、趋肤效应、涡流损耗等问题将愈发突出。那时我们可以进一步扩展此模型，加入寄生电容网络、非线性磁芯模型（如 Jiles-Atherton），甚至导入实测 B-H 曲线数据，实现更高阶的仿真逼近。
但一切的起点，就是今天你亲手写的那个.SUBCKT。
所以，别再依赖别人分享的“神秘模型包”了。打开 Proteus，新建一个.MOD文件，从第一行L_PRIMARY开始，写出属于你自己的变压器。
如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。
