开关电源设计的一般考虑(完整版)实用资料

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1、开关电源设计的一般考虑（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）第一章 开关电源设计的一般考虑在设计开关电源之前，应当仔细研究要设计的电源技术要求。现以一个通信电源模块的例子来说明设计要考虑的问题。该模块的技术规范如下：1 电气性能除非另外说明,所有参数是在输入电压为 220V,交流 50Hz 以及环境温度 25下测试和规定的.表 1.1额定电压输出电流限流范围过压范围调压范围 1调压范围 2效率I(max)54.9V28A58.8-52.55-45.711087Imax61.2V52.75V45.9V1.1 输入电压：单相交流额定电压有效值 220V20%频率：频率

2、范围 45-65Hz电流：在满载运行时,输入 220V,小于 8A。在 264V 时,冲击电流不大于 18A效率：负载由 50100为表 2.1 值功率因数：大于 0.90,负载在 50以上,大于 0.95谐波失真：符合 IEC 555-2 要求启动延迟：在接通电源 3 秒内输出达到它的额定电平保持时间：输入 176V 有效值,满载,大于 10mS1.2 输出电压：在满载时,输出电压设定在表 1 值的0.2电流：负载电流从零到最大值(参看表 1)，过流保护开始是恒流,当电压降低到一定值得时,电流截止.稳压特性：负载变化由零变到 100, 输入电压由 176V 变到 264V 最坏情况下输出电压

3、变化不超过 200mV.瞬态响应： 在没有电池连接到输出端时,负载由 10变化到 100,或由满载变化的 10,恢复时间应当在 2mS 之内.最大输出电压偏摆应当小于 1V.静态漏电流：当模块关断时,最大反向泄漏电流小于 5mA.温度系数：模块在整个工作温度范围内0.015.温升漂移：在起初 30 秒内,0.1输出噪音：输出噪音满足通信电源标准,衡重杂音2mV.1.3 保护输入：输入端保护保险丝定额为 13A.输出过压：按表 1.1 设置过压跳闸电压,输出电压超过这个电平时,将使模块锁定在跳闸状态.通过断开交流输入电源使模块复位.输出过流：过流特性按表 1.1 的给定值示于图 1.过流时,恒流

4、到 60电压,然后电流电压转折下降.(最后将残留与短路相同的状态)输出反接：在输入反接时,在外电路设置了一个保险丝烧断(32A/ 55V)过热：内部检测器禁止模块在过热下工作，一旦温度减少到正常值以下,自动复位.1.4 显示和指示功能输入监视：输入电网正常显示.输出监视：输出电压正常显示.(过压情况关断).限流指示：限流工作状态显示.负载指示： 负载大于低限电流显示.继电器：输入和输出和输入正常同时正常显示。输出电流监视：负载从 10到 100,指示精度为5.遥控降低：提供遥控调节窗口.1.5 系统功能电压微调：为适应电池温度特性,可对模块的输出电压采取温度补偿.负载降落：为适应并联均流要求，

5、应能够调节外特性。典型电压降落 0.5,使得负载从零到增加 100,输出电压下降 250mV.遥控关机：可实现遥控关机。1.6 电气绝缘下列试验对完成的产品 100试验。1.在 L(网)和 N(中线)之间及其它端子试验直流电压为 6kV.2.在所有输出端和 L,N 及地之间试验直流 2.5kV.这检查输出和地之间的绝缘.3.下列各点分别到所有其它端子试验直流 100V：电压降低(11 和 12 脚)继电器接点(14,15 和 16 脚)状态选择-输入,输出和电流限制(3,4,5 和 6 脚)14.地连续性-以 25A,1 分钟检查,确认安全接地的阻抗小于 0.1.1.7 电磁兼容符合邮电部通信

6、电源标准.2 机械规范尺寸：略重量： 略安装方向： 模块设计安装方向是面板垂直放置,使空气垂直通过模块.通风和冷却： 模块的顶部和底部都有通风槽,使空气流通过模块,经过散热器.因此在系统中应当没有阻碍地对流冷却模块,并应强迫冷却装置使冷却空气经过模块自由流通.3 环境条件环境温度： 在 055温度范围内满功率工作.在模块下 50mm 处模块的入口测量温度.存储温度：40+85湿度：580,不结冰.高度： -60m2000m 工作;-60m10000m 不工作.4 可靠性MTBF 大于 100000 小时.这些要求包括：输入电源，输入电压的类型交流还是直流。交流电源的频率和电压变化范围，整流滤波

7、方式，是否有功率因数要求？如果是直流电源，是直流发电机，还是蓄电池、抑或其它直流变换器？是电流源还是电压源？它们的变化范围和纹波大小。输出电压（电流）大小和调节范围，稳压（或稳流）精度，输出有几路？输出电流（或输出功率），输出纹波电压要求，是否需要限流？瞬态响应要求。负载特性：蓄电池，还是荧光灯，还是电机？这些电气性能之外，是军用还是民用？EMC 要求，环境温度。体积与重量要求。是否需要遥控，遥测或遥调？是否需要提供自检测，如此等等。设计出的电源必须满足这些要求。1.1 主电网电源如果你购进国外电气设备，不管青红皂白就去插上电源，弄不好就可能烧坏设备电源。因此，要安全使用国外设备，要知道国外电

8、网电源的种类和相关标准。如果你设计的产品是提供出口，也必须了解该地区的电网的标准。首先世界上主电网的交流电源频率在美国是 60Hz，而在中国和欧洲是 50Hz。实际上，频率也有一定的变化范围，电网负荷重的时候，50Hz 可能降低到 47Hz；如果负载很轻时，60Hz 可能上升到63Hz。这是因为带动发电机的发动机转速不可能是没有调节公差的恒速运行。50Hz 供电的直流电源必须使用比 60Hz 供电更大的滤波元件，供电变压器铁芯更大或线圈匝数更多。其次电源电压在不同地区也不同：在中国，家用电器和小功率电气设备由单相交流 220V 供电，工业用电是三相 380V。在美国民用电源为 110V（有时是

9、 120V），而家用电器，如洗衣机电源是208V，而工业用电是 480V，但是照明却是 277V，当然也有用 120V 的；在欧洲为 230V，而在澳大利亚却是 240V，如此等等。以上的电网电压仅仅是其额定值，每一种电网都有允许偏差。例如电网随负荷变化时产生较大波动。在上世纪末我国电网改造前，电网电压波动范围高达 30%以上。随着国民经济发展，大量电厂建立，供电量充足，同时经过电网改造，合理输配电，目前在我国大多数地区供电质量明显提高，一般变化在 10%以内，即在 198V242V 之间。但在铁道系统和某些边远山区变化范围仍可能达到 30%。因此，你设计的开关电源，必须迎合使用地区的供电情况

10、，即使遇到意外情况，也能够安全运行而不发生故障。有时电网也可能丢失几个周波，要求有些电源能够不间断（保持时间）地工作，这就要求较大的输出电容或并联电池满足这一要求。电网还存在过压情况。雷击和闪电在 2阻抗上,引起线与线电压和共模干扰可高达 6000V 电压。闪电有两种类型，一种是短脉冲，上升时间 1.2s，衰减时间 50s，另一种很高能量，衰减时间1ms。电网还有瞬态电压，峰值达 750V，持续半个电网周期，这主要是大的负载的接入或断开，或高压线跌落引起电网的瞬变。实际上工业电网面临的问题远不止这些，交流电网是一个肮脏的环境。你所设计的电源应当能够在这个环境中工作，同时还要满足国际和各地区安全

11、标准要求。1.2 电池在通信，电站，交通要求不间断供电的地方，电池作为不可缺少的储能后备能源。大量移动通讯站和 ，以及电动汽车，助力电瓶车都依靠电池提供能量。风力发电和太阳能发电存储峰值能量作2为后备能源。但是电池涉及到电化学和冶金学知识，已超出一般电气工程师的知识范畴。这里介绍一些使用电池基础知识，使你知道设计充电电源和使用电池供电时应注意的一些问题。利用电化学可逆原理做成的最基本的单元电池叫单体电池。典型的单体电池是由两个金属极板和构成它们之间导电通路工作介质组成，这种通路材料可能是液体或固体，与特定化学机理有关。这种结构关键在于是否能够更有效进行电化学反应（可再充电，即二次电池，也称为蓄

12、电池。不能再充电叫一次电池）。根据不同通路材料的安排，一个金属极板为电池的阳极正极，另一个则为阴极负极。如将两个金属极板（阴极和阳极）接到电源上，电的作用改变了工作介质的化学状态，这就是储能。如将已储能的电池极板接到负载，材料化学作用放出电荷返回到原始状态，释放出电能。单体电池一般很低，例如铅酸蓄电池单体电池额定电压为 2V。因此较高电压的电池一般由许多单体电池串联组成。应当注意：不要自己将电池连接成你需要的电压和容量，电池不能直接并联！你只能按制造厂系列产品选择你需要的电池容量和电压。如果在每个电池端串联一个二极管就可以并联。在电池工作范围内，电池看起来像一个理想电压源，但实际电源并非如此。

13、首先，当充电时，端电压会升高；放电时，端电压会降低。这就说明蓄电池存在内电阻，图 1.1 是标称电流压 12V 的 NiH 电池的伏安特性，随着输出电流的增加，输出电压下降（类似正弦双曲线）。标称电压为 12V，电池放出电流为负，充电电流为正。电池放出小电流时，电池端有一个类似电阻的压降，电流加倍压降也几乎加倍；在大电流时，电压降增加减慢；在端电压下降到零以前，电流可以达到非常大的数值，但绝对不能将电池短路，如果将 NiH 电池输出短路将引起电池爆炸！其次，电池不是与频率无关的电压源，在充电和放电时，产生电化学作用需要一定的时间，等效为电容与内阻并联。此外，在典型开关频率20kHz 或更高时，

14、电池有很大内阻抗。这是因为电池端子间，内部极板间存在小电感；例如，一个NiH（镍氢）电池可能具有 200nH 的感抗，五个这样的电池串联（获得 6V 电压）有大约 1H 电感。如果开关频率为 200kHz，阻抗大约 1。所以这时电池不是理想电压源，不可能吸收你的变换器产生的开关纹波，为此，通常在电池的两端并联一个电容，减少内电感的影响。电池输出电流和输出电压的关系还与温度以及电池剩余电荷量有关。如果放电电流太大，会损伤电池。几乎所有电池，如果在远低于它的工作温度下放电，也会损坏电池。例如密封铅酸电池在低于10不能工作,这就是为什么在很冷的天气发动不了你的汽车。制造厂标定电池的容量一般以电池具有

15、的电I(A)荷量安时（电流时间电荷 AH）来表示。这使得电源设计者感到为难，你不能够简单得到2.00电池输出参数与多大能量的关系，因为它不等于电池容量乘以输出电压；何况输出电压又与输出0.00电流有关。这些参数关系由制造厂以曲线形式提供的，而曲线似乎不能直接找到你设计需要的工-2.00作点，需要从这些曲线来回参照得到你需要的数据。你自己测试电池是不切实际的，因为每个制造厂制造的电池总有些小的差别，所以你不能假10.011.012.013.014.0定每个电池具有相同的化学特性和安时定额，以电池电压(V)及它们在同一场合具有相同的运行时间。图 1.1 典型 12V 电池 V-I 特性另一个现象是

16、自放电。如果你充好电的电池放置在那里，不接任何负载，它自己会逐渐失去存储的能量。失去能量所需要的时间与化学工作介质有关：如 NiH 电池 24 小时；密封铅酸蓄电池在温度 25下约 16 月容量损失 50%，温度升高 10,时间缩短一半。而某些锂电池可达几年不等。所以放置不用的铅酸电池一般每 3 个月得进行充放电维护一次。电池不可能无限期充放电使用，电池也有寿命。在一定时间范围内，电池经过多次充电/放电周期以后，不再能存储额定容量，这个时间就是电池寿命的终止。它取决于电池如何工作，它经历了多少个充电/放电周期，放电的深度如何等等。例如，铅酸密封电池放电深度 50%额定容量，充放电可达50060

17、0 次；放电深度 100%，寿命仅 200300 充放电周期。即使电池用于备份，所谓浮充状态（总是保持充满状态），在 510 年内也需要更换。电池是一个不愉快的能源，它也是一个不舒服的负载。当你对电池补充充电均衡充电时，你不能用一个电压源对其充电，因为电池充电电流与电压成指数关系，会造成充电电流热失控，将导致电池损坏。因此所有类型电池充电必须采取限流措施。如果电池充满，即达到额定电压时，应当转换到浮充电状态，补充自放电失去的能量，以保证电池保持满容量状态。3手册中指定充电电流（放电电流也一样）称为“C”。1C 定额是假定电池充电 1 小时达到电池的额定容量值：例如以 1C（20A）对 20AH

18、 电池充电一小时的电池容量为 120A=20AH。铅酸电池通常均衡充电电流小于 0.3C。均衡充电一般首先以 0.15C 恒流充电一定时间，当达到容量的 90%后，再转换到恒压充电，进入浮充状态。浮充电压通常由生产厂家设置。环境温度 25时，一般按单体电池电压2.23V2.35V（大部分用 2.23V2.25V）之间设置浮充电压。环境温度每升高 1,浮充电压下降0.005V。充满电时单体电池端电压在 2.23V 左右。过充电和充电电流过大都会损伤电池，使电池寿命大大缩短。电池充足后，维持自放电浮充电流，一般在 0.05C 以下。铅酸电池还不能过放电，一般认为单体电池端电压达到 1.75V 应当

19、终止放电。所以，要正确使用电池应当对电池的充、放电电压、电流和容量（电流和时间积分）进行检测和控制，才能保证电池的长寿命。各种不同化学机理的电池铅酸电池，锂电池，镍镉电池，锌空气和镍氢（NiH）电池，无论那种，都具有自身的特性。所以你得花费一定时间去研究它们。最好的办法是去找愿意和你紧密合作的制造商，并认真地听取他们忠告。1.3 负载开关电源供给各种不同的负载，各种负载都有自己的特性，负载对开关电源提出符合自己特性的要求。因此开关电源设计者必须了解负载特性，才能做好符合要求的电源。前面讨论了蓄电池一般特性，如果开关电源作为充电器对电池充电。则开关电源必须具有恒流充电和浮充能力。这里不再讨论。下

20、面分别简要说明其它负载要求计算机电源现代计算机要求电源高速切换。现在许多计算机电源为 3.3V，从数据库调出数据，要求电源能适应 30A/s 负载跃变。举例来说，假定负载从零变化到 7A，花的时间小于 1s。如果你的开关电源的带宽 20kHz，要变化到新的负载水平时间为 1/20kHz50s，假设电流上升是线性的，那么你尚缺少的电荷量是(7A/2)50s=175C，如果允许 3.3V 电压波动是 66mV，如果此瞬态能量由电容提供，你应当需要 175C/66mV=3mF 才能避免电压跌落超过允许值。值得注意的是你不能用一个 3300F 电容达到这个目的，而是应当用许多小电容并联。这是因为母线上

21、电压跌落并不是变换器的带宽限制，而是电容的 ESR 造成的。你需要最大 ESR 为 66mV/7A9m的电容。如果每个电容的 ESR 近似为 100m，需要 11 个电容并联，最好选择 300F 的钽电容。当然这种计算是假定变换器输出到负载连线是无电感和电阻的，如果引线长，你就需要更高性能的电源。在以上计算中另一个假定是变换器有足够的大信号响应。稳定性在以后详细讨论，但你必须确定满足小信号响应误差放大器的摆率(slew rate)也应当是足够的，但这不总是正确的。变换器的大信号带宽不能大于小信号带宽，如果运放摆率较低，大信号带宽可能比较小。从以上的例子看到为使变换器体积减少，实质上是要变换器具

22、有较宽带宽和高速放大器。在今天的工业界，这是继续推动开关电源向更高的开关频率（带宽不超过开关频率的一半）的主要原因，某些变换器的工作频率现在已达 2MHz，带宽 100kHz。要求低噪声各种负载要求噪声是不同的。例如蜂窝 电源中射频功率放大器要求低噪声。变换器电源提供放大器栅极和漏极（放大器由 FET 构成）电压，如果电源上有变换器开关频率的纹波，那么放大器输出也就有纹波，因为输出功率由栅极和漏极电压决定，通过改变这些电压来控制输出功率大小。而放大器输出是射频，纹波是载波频率的边带。由于纹波被接收机作为信号解调产生的边带，所以很容易看到你不需要的纹波（谐波）。有些情况就不一定。你的和提出要求的

23、工程师研究研究，是否一定要很高的噪声要求，并告诉他，噪声要求越高，代价越大。要满足低噪声的要求，应当考虑电感电流在输出电容 ESR 上产生的峰峰值纹波和二极管及晶体管转换产生的开关噪声两者的造成纹波。在要求非常低噪声时，想用足够大的滤波电感和多个电容并联是不切实际的，一般在变换器输出加后续线性调节器或外加滤波环节。后续线性调节器决不是好的选择，因为效率低。一般的办法在主滤波器后面增加一级 LC 滤波器（图 1.2）。如果反馈从原来输出电容端取回，主反馈保持原来的稳定性，而与外加滤波无关。但外加的 LC 滤波是不可控制的，当阶跃负载时将引起振铃现象，破坏了引入附加滤波器的目的。4如果将反馈包含外

24、加滤波器，这将引入两个额外的极点，这两个极点要是处于低频段，将引起变换器工作的不稳定。一般取外加滤波器的谐振频率为变换器带宽的 10 倍，仅需要很小的相位补偿处理（在以后详细讨论），同时仍然能给开关频率适当地衰减。一般电感取得较小，电容较大，减少变换器的输出阻抗。串联电感在数百 nH 到几个H，一般不用铁氧体磁珠，磁珠不能抗直流磁化，而采用小的 MPP（皮莫合金磁粉芯）磁珠或铁硅铝磁芯，1 匝输出汇流条通过它即可。如果你既要快速瞬态响应，又要低噪声，那是最糟糕的变换器主附加滤波器滤波电感负载。那你得运用以上的技术，还得花费许多心血。 变换器主 大约在 100 年前出现的，一直使用大量的铁和铜，

25、输出滤波电容而不是半导体。它是由 线供电，而不是电网供电，这就是为什么电灯不亮，而 照样畅通。电源距离在几百米，图 1.2 附加 LC 滤波获得低噪声输出甚至几千米以外，在 和电源之间引入了较大电线电阻和电感。 有三个不同的模式：既不通话又没有振铃，通话，待通。这三种状态具有不同的特性，每种特性在每个国家也是不同的。为了解驱动 振铃有多困难，拿出一些数据来考虑。在振铃状态， 看起来像一个电感和电容串联并用一个低频正弦波电源驱动。此正弦波在 端电压最小 40Vrms(美国)或 35V（德国）。实际上，由于电源输出在达到 之前经过不同阻抗分压，需要的驱动电源电压要高得多。美国近似 7k与 8F串联

26、，驱动电源是 20Hz正弦波。而德国似乎是 3.4k与 850nF串联，用 25Hz驱动。法国 是大于 2K和小于 2.2F,可以用 25Hz或 50Hz驱动，取决于是差动（平衡）还是不对称驱动。 本身作为负载更是五花八门，阻抗由 6k60k，或更高。也不知道这些 是怎样电源供电，除非这个国家自行规定。甚至一个电源同时带 5 个 机。荧光灯荧光灯是另一个特殊负载，用一个特殊的称为镇流器的电源驱动。灯管就有很多类型，不同长度灯管和环形灯管，冷阴极大台灯，广场照明的钠灯等等。他们具有不同发光和电气特性，但在他们之间重要的不同是否具有加热灯丝。不需要灯丝的，仅需要两根导线的称为直接启动灯管；如果有加

27、热灯丝，还需要增加两根加热灯丝导线称为快速启动灯管。因其他特性相同，这里仅讨论有灯丝的荧光灯。荧光灯管是充气的例如充有氩气和一滴水银液体，水银在工作时蒸发成气体。玻璃管内壁涂敷类似显象管的荧光物质。工作时电压通过气体加在管两端，灯管实际上有一个阴极和一个阳极，但加在灯管上是交流电，不必要区分正负。用交流可减少电极的电蚀。必须有足够的启动电压才能使灯管内的气体电离，也就是说电离形成等离子。等离子发出紫外线光，激发了涂敷在管内壁的荧光物质转变成可见光。它比利用高温加热发光的白炽灯发光效率高。灯管内的水银是剧毒物质，请不要随地将灯管打破，否则严重破坏环境。当灯管关断时，它呈现高阻抗，因为水银是液体，

28、需要高压启动。冷阴极型（即没有灯丝）就需要一定时间高压以后导通它。带有灯丝需要加热灯丝，应用数百毫秒时间加高压，预热大大地降低了灯管的寿命。由于早先电子镇流器忽视这个问题，电子镇流器业发展较慢。在灯丝预热加上高压以后，灯管导通。一旦灯管导通，灯管近似像一个稳压管，如流过灯管的电流加倍，但灯管端电压或许只变化 10%。管子通过加倍的电流，当然亮度也加倍，寿命也因此降低。因此需要一个镇流器，保持灯管亮度，同时使电压、电流保持在灯管厂家规定的允许范围之内。在导通状态，灯丝仍然发热，但已远小于预热时的功率。灯丝是电阻丝，可减少灯丝电压减少发热，而延长灯管寿命。负载时各式各样的，可见，不研究负载特性去做

29、电源是不可能做好的。1.4 安全研究、开发和使用电源，当然要与交流电网高压打交道。常常碰到不仅是交流高压（220V/380V），而且还要遇到 300V/500V 直流。因此使用和操作人员应当时刻注意到用电的人身安全。国际及各国都制定了电气设备的安全标准。输出5应当知道，触电时是电流危及生命，而不是电压。人体感觉到刺激的电流 1mA，通过人体的电流达数十 mA 以上时，肌肉就产生收缩抽搐现象，使人体不能自己离开电线。将使心脏丧失扩张和收缩能力，直至死亡。但各人对电流的敏感程度相差较大。如表 1.2 所示。究竟多大电流、多长时间造成死亡尚不明白。为防护触电，许多国家规定允许触电电流与时间的乘积为

30、30mAS。各国规定允许触电电压如表 1.3。不管怎样，应当注意安全问题。首先，应避免带电操作。即转接电路时，应当在断电情况下接线。如果高于 50V 直流，应一只手接触电路,一只手放在背后，避免电流经一只手流经心脏，再流过另一只手构成回路。同样的理由，对地通路表 1.2DC(mA)AC(mA)不导电。如果你的皮鞋橡胶50Hz10kHz底破了，就不必再穿了。男女在许多电源中，由电网输入（220V 或 380V）直接整流滤波，或经过 PFC 变换输出高压直流提供 DC/DC表 1.3变换器。有时需要测量电路一般场所潮湿场所其它波形。你是否知道示波器的金属外壳是接地德、澳 65V日、瑞典 25V移动

31、设备 25V(IEC)的？你是否还知道示波器输入地与外壳是相英国 55V法国 24V德国 24V（家畜）连的？你是否还知道交流电网的中线、地线日、瑞士、法国、英国 45V(住宅)瑞典 50V(IEC)的连接方式？如果你不知道，就可能在测量我国国家规定安全电压 1250V，由有关规程和使用环境选操作被电击或损坏被测电路元件。作者曾多用。航空 30V次经历过这样的事例：用示波器观察直接由单相电网可控整流电路，而造成操作者触电和烧毁可控硅整流器，还有甚至损坏了控制电路。其中一个是示波器与整流器同一交流电源供电，示波器虽然有三线插头，但是配电电路地线与中线是相连的，这就造成示波器接地外壳将被测电路短路

32、。从安全考虑，示波器必须三线制供电，即相、中和地三线插头。为了避免短路，示波器应当用一个变比为 1:1 的隔离变压器隔离供电，这就避免了接触任何高电位。即便如此，在检测高于表 2 所示安全电压的路时，也应当在断电的情况下转换测试点。如果电路中直流高压大电容，在断电情况下，即使设置了放电电阻（一般在大电容上并联大电阻），仍需等待一定时间，要确认电容电压是否完全放电后，才能进行电路操作。实验室内的桌面应当有绝缘垫，座椅最好不是导电材料。地面也应当良好绝缘。不太痛苦有痛苦感痛苦难忍，肌肉不自由呼吸困难，肌肉收缩5.26274903.5415060男1191623女0.6610.515男1255759

33、4女837506361. 绪论在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。2. 基本控制环概念2.1 传输函数和博得图系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系

34、统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。2.2 极点数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。2.3 零点零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。存在第二种零点，

35、即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。3.0 开关电源的理想增益相位图设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突

36、变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。3.1 相位裕量参看图4，相位裕量是在穿越频率处相位高于0度的数量。这不同于大多数控制系统教科书里提出的从-180度开始测量相位裕量。其中包括DC负反馈所提供的180度初始相移。在实际测量中，这180度相移在DC处被补偿并允许相位裕量从0度开始测量。根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。然而，有一个边界稳定区域存在，此处（指边界稳定区，译注），系统由于瞬态响应引起振荡到经过一个长的调节时间最终稳定下来。如果相位裕量小于45度，则系统在边界稳定。当相位裕量超过45度时，能提供最好的动态响应，短的调节时间和最少过冲。3.2 增益

37、带宽增益带宽是指单位增益时的频率，见图4，增益带宽就是穿越频率Fcs。最大穿越频率的主要限制因素是电源的开关频率。根据采样定理，如果采样频率小于2倍信号频率（更严谨一点的说法是应该小于2倍最大信号频率，译注），则被采样的信息就不能被完全读取在开关电源中，开关频率可以从输出纹波中看得出来，它是错误的信息，并且必须不被控制环路所传递。因此，系统的穿越频率必须小于开关频率的一半，否则，开关噪声和纹波会扭曲输出电压中想要得到的信息，并导致系统不稳定。3.3 增益高的系统增益对于保证好的线性和负载调节率提供重要贡献。它能够使PWM比较器在响应输入输出电压的变化时精确地改变电源开关的占空比，通常，需要在决

38、定高增益和低相位裕量之间做出权衡。4. 实际设计分析举例用经典环路控制分析方法，开关调整器的控制环分为四个主要部分：输出滤波器，PWM电路，误差放大器补偿和反馈。图5用方块图举例说明这四部分，图6举例说明一个开关电源电路图。首先，输出电压被反馈网络降压，然后把这个反馈电压送入误差放大器，使之与基准电压相比较而产生一个误差电压信号。脉宽调制部分拾取这个误差电压并且把它与功率变压器的电流相比较并转化为合适的占空比去控制输出部分功率脉冲调制的数量。输出滤波器部分使来自于功率变压器的斩波电压或电流平滑，使反馈控制环完善。下面确定每一部分的增益和相位，并把他们联合起来形成系统的传输函数和系统的增益相位点

39、。4.1 反馈网络H(s)反馈网络把输出电压降到误差放大器参考电压的水平，其传输式按简单的电阻分压式得到：4.2 输出滤波部分G1(S)在电流模式控制系统中，输出电流被调节以达到目标的输出电压。输出滤波部分把脉动的输出电流转换为目标输出电压。小信号分析得到：输出电容的ESR和反馈网络的电阻（R1+R2=RFB）反映出输出滤波器传输函数的特性。图7的电路分析给出ESR和RSENSE的影响。传输函数G1(S)给出RFB的初始低频增益。这个增益在fPOLE=1/2*（RFB+ESR）*C处开始滚降，并在fZERO=1/2*ESR*C变为水平。G1(S)的博得图见图8。4.3 PWM电路部分G2(S)

40、光耦电路把误差放大网路产生的误差信号传输到主边。AS3842 PWM电路把这个误差电压与通过主边功率变压器的电流进行比较。然后功率场效应管的占空比被调制，以提供足够的电流到副边来维持想要的输出。光耦的小信号传输函数是与光耦的电流传输比成比例的固定增益。R5（原文误为R6，式5一并改为R5，译注）是与光耦的二极管串联的限流电阻，并且是AS3842误差放大器的输出阻抗（此句应该理解为R5是这个AS3842开关电源电路中，误差放大器部分的输出阻抗，译注）。这一点在应用文档“Secondary error amplifier with the AS431”中有深入的阐述。从误差放大器的输出到AS384

41、2的COMP脚的传输函数是：VCATHODE是AS431的阴极电压，也就是误差补偿放大器的输出电压。CTR是光耦的电流传输比。R5(原文为R6，译注)是与光耦的二极管串联的限流电阻。RCOMP是AS3842的COMP脚当其试图拉电流超过它的最大输出电流时的输出阻抗。当误差信号传递到补偿脚以后，将其与电流检测信号比较。图9表示一个电流检测比较器和开关部分的简单框图：在闭环系统中，VCOMP与ISENSE维持同样的电平。因此，IPRIMARY被VCOMP有效的调节：从ISECONDARY以后（见图9），副边电流或者说输出电流与主边电流成比例，把等式（4）重新排列表示出副边电流与VCOMP之间的关系

42、。结合等式（3）和（6）得到PWM部分的传输函数：传输函数G2(s)仅包含增益没有相移。4.4 误差放大器补偿网络G3(S)一旦输出滤波器和PWM电路部分的传输函数确定下来，然后可以设定误差放大器补偿网络以取得最优化的系统性能。图10例举出一个在低频时提供高的频率滚降和高增益的补偿方案。这个补偿方案有一些很好的特性适合于误差放大器的补偿，它有很高的直流增益和易控的滚降。4.5 整个系统因为这是一个线性系统，可以用叠加的方法得到整个系统的传输函数。通过把整个环路各部分的增益和相位叠加起来，产生整个系统的博得图。通过放置补偿网络的极点和零点使系统的性能最优化。图11把各部分的博得图结合起来，负反馈

43、系统的180度相移也加入进来了。5. 测量结果构造一个150W的电流模式正激转换器，经过修正的小信号环路特性显示出它在系统瞬态响应时所起的作用。图13（原文误为图12，译注）给出它的增益相位图。与图11所展示的一样，获得了相同的博得图曲线。此增益相位图显示这个系统有86.7度的相位裕量。意味着稳定的系统有快速的瞬态响应。图15（原文误为图13，译注）给出系统的瞬态响应。为了展示相位裕量的作用，通过增加整个系统的增益和提高穿越频率，系统的相位裕量会减少。穿越频率提高时系统的相位裕量在减少。图12（原文误为图14，译注）给出更高的穿越频率和更少的相位裕量（65度）时的系统博得图。其瞬态响应见图14

44、（原文误为图15，译注），注意更少的相位裕量导致更大的振荡和更长的调节时间。表1比较了这两个不同增益大小的系统之间线性和负载调节率的变化。正如前面所述，高的环路增益得到更紧密的线性和负载调节率。还应该注意需在高的相位裕量和较低的环路增益之间取得平衡。6. 测量方法为了保证准确的结果，测试信号接入节点的阻抗必须大于它的输出阻抗。在图6的测试电路中，误差放大器在副边，PWM电路在主边。测试信号在光耦的输出和AS3842的VCOMP输入之前接入。输入阻抗是从VCOMP脚看入时的阻抗，输出阻抗是光耦的输出阻抗。在其他误差放大器和PWM电路没有隔离的应用中，测试信号可以在输出滤波电容之后接入，使其与误差

45、放大器的输入相串联。基于UC3844的反激式开关电源控制环路设计实例管晓磊哈尔滨九洲电气股份,黑龙江哈尔滨 150081摘要:电流型控制芯片UC3844已经广泛应用在开关电源中,本文是基于UC3844设计的控制环路,阐述了反激式开关电源控制环路的一般方法。关键词:控制环路设计 UC3844 反激开关电源引言在开关电源的设计过程中,控制环路的设计至关重要,控制环路的设计可以决定电源的成败与否。开关电源的控制方式有电流控制方式和电压控制方式两种。电源系统的传递函数随控制方式的不同而有很大差异,因此在环路设计分析时,应独立分开。本文对基于UC3844构建的开关电源控制环路进行设计分析.论述开关电源电

46、流型控制环路设计的一般方法。1.UC3844概述Uc3844是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片,其内部结构电路如图l所示,它集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM 锁存器电路。 图12. 反馈环路设计图2为电流控制方式的双管反激开关电源的反馈控制环路电路。其中电流型控制芯片UC3844放在开关线圈的初级,控制功率开关。在次级电路中,稳压器件TL431作为基准和反馈误差放大器,采样输出,并产生相应的误差电压。该误差电压通过光耦TLP521-1转变成误差电流,耦合到初级中,作为控制芯片UC3844的输入。UC3844通过此

47、输人,产生相应的占空比信号来控制功率开关。由于在设计中运用了TL431内部的反馈运算放大器,所以在光耦接UC3844时,略过了UC3844的内部运放,直接把误差输入接UC3844内部运放的输出端,这种设计可以把反馈信号的传输时间缩短一个放大器的传输时间,使电源的动态响应更快。图2中部分参数如下,输入电压415630VDC,主输出为15V/0.6A 20V/1.8A,初级匝数为96匝,次级匝数15V一路为4匝,20V 一路为5匝,开关频率为40KHZ,R4为17.8k,C6 C7 R7为待求的补偿参数; 图2(应用在大功率开关电源中的辅助电源控制部分 3. 系统的闭环稳定标准稳定性通常用相位裕量

48、m和增益裕量G m两个参数来衡量 1。m为当闭环系统中增益穿越频率(G s=0dB所对应的相位值与360。的差值;G m为相位在360。时的增益值低于单位增益的量。在工程设计中,通常要求G m Gain-Phase, 选择测试的模式为增益,相位。也就是大家熟悉的波特图模式。3.Start, 100 Hz, Stop 1 MHz, 根据自己的需要设置测试的频率范围4.Sweep Setup, (Power, -10 dBm, (Return, (Sweep Type - Log Freq, 设置E5061B的输出功率,要注意不能设太高,否则会造成环路饱和。同时设置横轴的扫描为对数扫描5.Avg,

49、 (IFBW Auto - ON, (IFBW Auto Limit, 100 Hz, 设置E5061B的接收机的中频带宽。6.Display, (Num of Traces, 2, (Allocate Traces, x 2, 将显示分为上下两个图。7.按Trace next,激活 trace-1 ,按Format,选(LogMag, 按Trace next,激活trace-2,按Format,选(Phase。设置直流电源的输出电压为+5V(具体电压大小根据自己的开关电源来设定, 打开DUT(注意增加输出电压时不要损坏DUT。 现在你可以在屏幕上看到类似上图的环路增益和相位响应。按Trace

50、 next激活trace-1, 按Marker search (target, (Search Target将搜索的目标值设到0dB, 这时可以看到光标会跳到如上图所示的0dB点,现在你可以在曲线2上看到相位裕量为90度左右,这要远远高于一般的稳定准则值(60度。通过这样的测试,我们可以对开关电源的内部环路特性做很好的评估。研发工程师可以因而改善开关电源的性能。品管工程师可以对开关电源的性能做全方位的跟踪。开关电源控制环设计资料来源:Switching power supply control loop design(ASTEC-Application Note 5 译者:smartway1.

51、 绪论在开关模式的功率转换器中, 功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。 因 而, 功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。 由于 理论近似, 控制环的设计往往陷入复杂的方程式中, 使开关电源的控制设计面临挑战并且常 常走入误区。 下面几页将展示控制环的简单化近似分析, 首先大体了解开关电源系统中影响 性能的各种参数。 给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有 关。测试结果和测量方法也包含在其中。2. 基本控制环概念2.1 传输函数和博得图系统的传输函数定义为输出除以输入。 它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别 用图形表示。 整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。 在博得图中, 增益用对数 图表示。 因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和, 他们的增益可以画成图相加。 系 统的相位是整个环路相移之和。2.2 极点数学上,在传输方程式中,当分母为零时会产生一个极点。在图形上,当