开关电源闭环设计详细说明

开关电源闭环设计详细说明

6.4 开关电源闭环设计

从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。

开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v）也是固定的（U o=k v U ref）。开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。

对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。

如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V或2.5V，要求极小的动态电阻和温度漂移。其.次要求开

环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM 发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable 三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。

6.4.1 概述

图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。

可以看出是一个负反馈系统。PWM 控制芯片中包含了误差放大器和PWM 形成电路。控制芯片也提供许多其他的功能，但了解闭环稳定性问题，仅需考虑误差放大器和PWM 。 对于输出电压U o 缓慢或直流变化,闭环当然是稳定的。例如输入电网或负载变化（干扰），引起U o 的变化，经R 1和R 2取样（反馈网络），

图6.31 典型的正激变换器闭环控制 **PWM 驱动EA R1R2Resr Co Lo Us Ns Nr Np Q1Ub Udc Uref

Ut A B 误差放大Uea Uo Us 3V Uea

0Ut t0t1Ub ton ton T Uy B

送到误差放大器EA的反相输入端，再与加在EA同相输入端的参考电压(输入电压)U ref比较。将引起EA的输出直流电平U ea变化，再送入到脉冲宽度调制器PWM的输入端A。在PWM中，直流电平U ea与输入B端0～3V三角波U t比较，产生一个矩形脉冲输出，其宽度t on等于三角波开始时间t0到PWM输入B三角波与直流电平相交时间t1。此脉冲宽度决定了芯片中输出晶体管导通时间，同时也决定了控制晶体管Q1的导通时间。U dc的增加引起U y的增加，因U o=U y t o n/T，U o也随之增加。U o增加引起Us增加，并因此U ea的减少。从三角波开始到t1的t on相应减少，U o恢复到它的初始值。当然，反之亦然。

PWM产生的信号可以从芯片的输出晶体管发射极或集电极输出，经电流放大提供Q1基极驱动。但不管从那一点－发射极还是集电极－输出，必须保证当U o 增加，要引起t on减少,即负反馈。

应当注意，大多数PWM芯片的输出晶体管导通时间是t0到t1。对于这样的芯片，U s送到EA的反相输入端，PWM信号如果驱动功率NPN晶体管基极（N 沟道MOSFET的栅极），则芯片输出晶体管应由发射极输出。

然而，在某些PWM芯片（TL494）中，它们的导通时间是三角波U t与直流电平（U ea）相交时间到三角波终止时间t2。对于这样的芯片，如果驱动NPN晶体管，输出晶体管导通（如果从芯片的输出晶体管发射极输出），这样会随晶体管导通时间增加，使得U o增

加，这是正反馈，而不是负反馈。因此，TL494一类芯片，U s送到EA的同相输入端，U o增加使得导通时间减少，就可以采用芯片的输出晶体管的发射极驱动。

图6.31电路是负反馈且低频稳定。但在环路内，存在低电平噪音电压和含有丰富连续频谱的瞬态电压。这些分量通过输出L o,C o滤波器、误差放大器和U ea到U y的PWM调节器引起增益改变和相移。在谐波分量中的一个分量，增益和相移可能导致正反馈，而不再是负反馈，在6.2.7节我们已讨论过闭环振荡的机理。以下就开关电源作加体分析。

6.4.2 环路增益

还是来研究图6.31正激变换器。假定反馈环在B点－连接到误差放大器的反相输入端断开成开环。任何一次谐波分量的噪声从B经过EA放大到U ea，由U ea 传递到电压U y的平均值,和从Uy的平均值通过L o,C o 返回到B b(正好是先前环路断开点)都有增益变化和相移。这就是6.2.7讨论的环路增益信号通路。

如果假定某个频率f1的信号在B注入到环路中，回到B的信号的幅值和相位被上面提到回路中的元件改变了。如果改变后的返回的信号与注入的信号相位精确相同，而且幅值等于注入信号，即满足GH＝-1。要是现在将环闭合（B连接到B b），并且注入信号移开，电路将以频率f1继续振荡。这个引起开始振荡的f1是噪声频谱中的一个分量。

为达到输出电压（或电流）的静态精度，误差放大器必须有高增益。高增益就可能引起振荡。误差放大

器以外的传递函数一般无法改变，为避免加入误差放大器以后振荡，一般通过改变误差放大器的频率特性（校正网络），使得环路频率特性以-20dB/dec穿越，并有45°相位裕度，以达到闭环的稳定。以下我们研究误差放大器以外的电路传递函数的频率特性。

1. 带有LC滤波电路的环路增益G f

除了反激变换器（输出滤波仅为输出电容）外，这里讨论的所有拓扑都有输出滤波器。通常滤波器设计时根据脉动电流为平均值（输出电流）的20%选取滤波电感。根据允许输出电压纹波和脉动电流值以及电容的ESR选取输出滤波电容。如果电解电容没有ESR （最新产品），只按脉动电流和允许纹波电压选取。由此获得输出滤波器的谐振频率，特征阻抗，ESR零点频率。在频率特性一节图6.7示出了LC滤波器在不同负载下的幅频和相频特性。

为简化讨论，假定滤波器为临界阻尼R o=1.0Z o，带有负载电阻的输出LC滤波器的幅频特性如图6.32(a)中12345所示。此特性假定输出电容的ESR为零。在低频时，X c>>X L，输入信号不衰减，增益为1即0dB。在f0以上，每十倍频C o阻抗以20dB减少，而L o阻抗以20dB增加，使得增益变化斜率为－40dB/dec。当然在f0增益不是突然转变为－2斜率的。实际上在f0前增益曲线平滑离开0dB曲线，并在f0后不久渐近趋向－40dB/dec斜率。这里为讨论方便，增益曲线突然转向－40dB/dec。

如果使相应于R o=1.0Z o条件下稳定，那么在其它负

载也将稳定。但应研究电路在轻载（R o >>1.0Z o ）时的特性，因为在LC 滤波器转折频率f= f 0增益谐振提升。

滤波电容有ESR 的LC 滤波器幅频特性如图6.35b 的曲线123456。大多数滤波电容具有ESR 。在f 0以上的低频段，容抗远远大于ESR ，从U o 看到阻抗仅是容抗起主要作用，斜率仍为-40dB/dec ；在更高频时，esr

R C <<1，从输出端看的阻抗只是ESR ，在此频率范围，电路变为LR 滤波，而不是LC 滤波。即 esr esr in o f f j R L j U U G +=+==1111ω&

（6-55）

式中转折频率f esr ＝R esr /（2πL ）。在此频率范围，感抗以20dB/dec 增加，而ESR 保持常数，增益以-20dB/dec 斜率下降。

幅频特性由-40dB/dec 转为-20dB/dec 斜率点为f esr ,这里电容阻抗等于ESR 。ESR 提供一个零点。转变是渐近的，但所示的突然转变也足够精确。

2. PWM 增益

图 6.32(a)中由误差放大器输出到电感输入电压U y 0 (dB) L o 0 (dB) L o

1 2 f c U o 1 2 3 o

3

U in C o R o -20 U in C o R o

-2 -2

R esr

4 -40 4

f esr

-60 -1 5

5 6

102 103 104 105 f/Hz 102 103 104 105 f/Hz

(a) (b)

图6.32 临界阻尼LC 滤波器输出电容无ESR （a ）和有ESR(b)幅频特性

的平均值U aU 的增益是PWM 增益，并定义为G m 。

一般电压型控制芯片中误差放大器的输出U ea 与内部三角波比较产生PWM 信号调整输出电压。三角波的幅值0~3V(实际上是0.5~3V)。如果芯片控制推挽（桥式、半桥）电路，变压器频率是芯片频率的一半，占空比D 随误差放大器输出可以在0~1之间改变。如果是正激，只采用一半脉冲，占空度在0~0.5之间改变。

在图6.34b 中，当U ea ＝0，D =t on /T =0，在U y 的宽度为零， U aU 也为零。如果U ea 移动到3V ，在三角波的峰值，t on /T =D =0.5，U y 的平均值就是U aU ＝（U sp -1）D ，其中U sp 是变压器次级电压，1为整流二极管压降。则调制器的直流增益为U aU 与U ea 的比值

3)1(5.0-==sp ea oU

m

V U U G （6-56）

此增益与频率无关。

3. 取样增益－反馈系数

图6.31中还有一个增益衰减，就是R 1和R 2组成的采样电路。大多数PWM 芯片的误差放大器的参考输入端不可能大于2.5V ，因此如果输出电压一旦决定，此增益即为

2

12

R R R U U G o s s

+== （6-57）

如果输出5V ，采样电阻R 1=R 2，U s （U ref ）与U o 之间的增益为-6dB ，即1/2。

4. 输出LC 滤波器加上PWM 和采样网络的总增益

为了得到环路增益波特图，我们先将输出LC滤波器增益G

如图6.33所示。从0Hz（直流）到频率LC

1

=的增益

2

fπ

是G m+G s，这里LC滤波器增益为零。在f0转折为-40dB/dec斜率，并保持此斜率一直到f esr，这里电容阻抗等于R esr。在这个频率它转折为斜率-20dB/dec。由这个曲线可以确定误差放大器的幅频和相频特性以满足稳定环路的两个判据。

6.4.3 误差放大器的幅频特性整形

如果将开关电源的闭环作为一个放大器来研究，放大器输入信号为开关电源的参考电压。从负反馈组态来说是一个电压串联负反馈。这里误差放大器是一个同相放大器。从误差放大器的同相端到误差放大器输出、PWM发生、电源输出和取样返回到误差放大是反相输入端，在任何频率在增益下降到0dB时附加相位移小于135°。以下来讨论误差放大器的补偿。为讨论方便，取样信号加在反相端，放大器输出总是反相，反馈信号返回到反相端附加相移不能超过135°,即45°相位裕度。

第一步首先建立穿越频率f c0，在此频率总增益为0dB。然后选择误差放大器的增益，迫使总环路增益在f c0为0dB。下一步设计误差放大器的增益斜率，以使得总开环增益在f c0以斜率-20dB/dec穿越（图6.18）。最后，调整幅频特性达到希望的相位裕度。

采样理论指出，为了闭环的稳定，f c0必须小于开关频率的一半。但必须远远小于开关频率，否则有较大

幅值的开关频率纹波。一般经验取f c 0为开关频率的1/4~1/5。

参考图6.33中除误差放大器以外的环路增益G t 是LC 滤波器增益G f 、调节器增益G m 和检测网络增益G s 之和。假定滤波电容有ESR ，在f esr 由斜率-40dB/dec 转折为-20dB/dec 。假定f c 0＝1/5f s ，f s －开关频率。要使f c 0增益为0dB ，误差放大器的增益应当等于G t 在此频率读取增益衰减量。

在大多数情况下，滤波电容具有ESR ，且f esr 低于f c 0。因此在f c 0 的G t =G f +G m +G s 的曲线总是斜率为-20dB/dec 。要使得在f c 0的总开环增益为零，误差放大器在f c 0的增益与G t 值相等符号相反。同时

如果误差放大器幅频特性在f c 0为水平线，则合成的总开环幅频特性G t 在f c 0以斜率-20dB/dec 穿越。这就满足了稳定电路的第二个判据。 运算放大器的反相比例运算（图 6.34）就可以获得水平的增益曲线，调整

G ea =-R 2/R 1的大小获得所

需的增益。

环路增益是误差放大器的增益和G t 之和。如果运放保持常数增益一直到直流，总的开环增益在100Hz 就比较小，不能有效抑制交流电源纹波。为了在输出端

80 f c0 f p

60 f z 误差放大器增益

40

20

10 102 103 104 105 106 107 0

G f +G m +G s f (Hz)

－20 f c -40dB/dec

－40 G t f esr -20dB/dec

－60 在f c0总损耗 f c0＝(0.2~0.25) f s

－80

图6.33

将交流纹波降到很低水平，开环增益在低频时尽可能高，因此在f c0的左边开环增益应当迅速增加。为此，在误差放大器反馈电阻电路R 2串联一个电容C 1（图

6.34b ）。低频增益如图6.36所示。在高频范围，C 1的大容抗小于R 2,增益是水平线，而在低频范围，C 2容抗大于R 2，增益为X c /R 2。增益以＋20dB/dec 向低频增加，并在100Hz 处产生较高的增益。向高频方向，斜

率-20dB/dec,并在f z =(2πR 2C 1)-1处转向水平。

在f c 0的右端的高频端（图6.33），如果误差放大器保持常数，总开环增益在高频增益相当高。但高频高增益就有可能接收高频尖峰噪声，并以较大的幅值传递到输出端。所以高频时应当降低增益。 这很容易做到，只要在误差放大器的反馈支路（R 2串联C 1）上并联一个C 2。在f c 0，X c 1已经比R 2小，电路特性与C 1无关。在高频C 1的容抗比R 2小，R 2不影响电路特性，电路增益由X c 2/R 1决定。在f c0以上，幅频特性是水平的，直到f p =(2πR 2C 2)-1，在这个频率转折，以后以斜率－20dB/dec 衰减（如图6.33）。高频增益低避免高频噪声进入到输出

端。

如何选择转折频率f z 和f p ？一般这样选取f c 0/f z =f p / f c 0。f z 与f p 之间分开越大，在f c 0有较大的相位裕度。一般希望较大的相位裕度，但如果f z 选择得太低，在 R 2

R 1 U in -

EA Uo +

(a) C2

C1 R2

R1 Uin －

EA Uo

+ (b) 图6.34 误差放大器幅频特性整形

100Hz 低频增益比选择较高频增益低（图6.35），这样对100Hz 信号衰减很差。如果在f p 选择得太高，高频增益比选择较低频率高，这样高频噪声尖峰可能很高幅值通过。f z 与f p 之间分开距离在增加相位裕度和减少距离之间折中，以求得100Hz 衰减和低的高频噪声尖峰输出。折中和更加精确地分析，用传递函数、极点和零点概念很容易做到。

6.4.4 误差放大器的传递函数，极点和零点

如果一个反相运算放大器的输入Z 1和反馈Z 2都用复

阻抗，电路如图6.36所示。其增益为－Z 2/Z 1。如果Z 1是纯电阻R 1，而Z 2也是纯电阻R 2，如图6.34(a)，则增

益是-R 2/R 1，并与频率无关。负号说明U o 与U in 之间的相位移是180°，因为输入是反相端。

如果阻抗Z 1,Z 2以复变量s=j (2πf )＝j ω表示，电容C 1的阻抗为1/sC 1,而R 1与C 1串联为R 1+1/s C 1。R 1和C 1串联再一起与电容C 2并联的阻抗为

2

112

11/1/1)/1)(/1(

sC sC R sC sC R Z +++= （6-58） 误差放大器的增益或传递函数写成阻抗Z 1，Z 2，用复变量s 表示，即G (s )=Z 2(s)/Z 1(s)。通过代数处理，将G (s)分子和分母简化成s 的函数：G (s)=N (s)/D (s)。表示为多项式相乘：

)1)(1)(1()1)(1)(1()()()(3

2103

21sp sp sp sp sz sz sz s D s N s G ++++++== （6-59）

这些z 和p 值是RC 乘积，并代表频率。令这些项为零，可以求得这些频率。即

021)2(111111=+=+=+C fR j fz j s sz ππ

即

11121

C R f π=

（6-60）

相应于z 值的频率叫做零点频率，而相应于p 值的频率叫做极点频率。在分母中总有一项没有1,如上式中的sp 0。这表示一个重要的极点频率f p 0=(2πR 0C 0)-1。称为原点极点。

由原点极点和极点以及零点频率，可以画出误差放大器的幅频特性。

6.4.5 有零点和极点频率增益斜率变化规律

零点和极点代表了误差放大器的频率变化点。 零点表示增益斜率变化到＋20dB/dec 。在图6.37(a)中，如果在一个增益为零点频率点出现零点时，将由此斜率转向+20dB/dec 。如果原先增益斜率为-20dB （图

6.37(b)），增益斜率将转向为0。如果在相同的频率有两个零点（两个RC 具有相同的乘积），原先斜率为－

G2 Z2

Z1

+80 G1 U in -

EA U o

+60 f 1 f z 2 f z 1 f p 1 f p 2 f h

G1

+40

G2

+20

10 102 103 104 105 106 107 108 f/Hz

图6.36 一般误差放大器

图6.35 f z 和f p 定位

1-20dB/dec时，增益斜率第一个转向0,第二个零将转向+20dB/dec（图6.37(c)）。

一个极点表示增益按斜率-20dB/dec变化。如果原先增益斜率为水平线（斜率为零）处出现一个极点，增益斜率转向-20dB/dec（图6.37(d)）;如果原先+20dB/dec 斜率的相同频率有两个极点，第一个极点转为0,而第二个极点在相同频率转为-20dB/dec（图6.37(e)）。

斜率-20dB/dec 斜率-20dB/dec 斜率-20dB/dec 斜率+20dB/dec

斜率0 斜率0

(b)

斜率0

斜率-20dB/dec 斜率＋+20dB/dec 斜率-20dB/dec

(d) (e)

图6.37 典型幅频特性

原点极点和任何极点一样，增益斜率为－20dB/dec。它表示一个增益为1即0dB的频率。画总误差放大器增益曲线从原点极点开始。从0dB原点极点频率f p0=(2πR0C0)-1画起，反向画一条直线，斜率为－20dB/dec(图6.38)。如果在这个直线某点，在高频方向-20dB/dec斜率，传递函数在f z＝(2πR1C1)-1点为零（零点），在f z 转向增益斜率为水平。将水平增益无限伸展，但在某个较高频率f p=(2πR2C2)-1传递函数有一个极点，在f p 将由水平转向斜率-20dB/dec（图6.38）。传递函数水平部分的增益是－R2/R1。在f c0它等于并相反于G t（图6.33）的衰减量。

在原点有一个单极点，一个单零点和另一个单极点的误差放大器增益曲线具有图6.38希望的形状，用图

6.34(b)来实现。余下来的事情就是选择零点和极点频率的位置，以产生希望的相位裕度。

6.4.6 从电路图推导单极点和单零点误差放大器的传递函数

上面已经指出如果误差放大器具有单极点、单零点和一个原点极点，它的幅频特性如图6.38所示。现在证明一个误差放大器的传递函数如何推导，以及图

6.34(b)电路确实具有一个单极点、一个单零点和一个原点极点。图6.34(b)电路的增益为

)11()1)(1(2

12121212C j C j R R C j C j R Z Z dU dU G i o

ωωωω+++-=-== （6-61） 引入复变量s=j ω，于是 )11()1)(1(21212

12sC sC R R sC sC R G +++-= （6-62）

经过代数处理 ))/(1)((12121

22111

2C C C C sR C C sR C sR G ++++-= 同时因为一般C 2<

221112C sR C C sR C sR G +++-= （6-63） 具有式（6-63）传递函数的图 6.38误差放大器在Venable 经典著作中一般称为2型放大器。当输出滤波电容具有ESR 时，使得f c 0落在斜率-20dB/dec 的增益G 1的曲线（图6.33）上，应用2型误差放大器。研究电路图 6.34(b)的传递函数可直接画出它的幅频特性（图6.38）。式（6-63）指出这个电路（图6.34(b)）在f p 0=(2πR 0C 0)-1具有一个原点极点。在此频率以－ f p =(2πR 2C 2)-1 f z =(2πR 1C 1)-1 0dB p000 图6.38 直接由传递函数画图6-37的误差放大器的增益曲线

20dB/dec 斜率向低频方向画一直线。

由式（6-63）在频率f z =(2πR 2C 1)-1电路有一个零点。在f z 由斜线转成水平。再由式（6-63）电路在f p =(2πR 2C 2)-1有一个极点，在此频率f p 再由水平转向斜率-20dB/dec 。 Ⅱ型误差放大器的传递函数可由它的极点和零点频率画出来，并将它们定位（选择R 1,R 2,C 1,C 2）以获得希望的相位裕度。

6.4.7 从Ⅱ型误差放大器的零点和极点的位置计算相移 采用Venable 图，选取f c 0 /f z ＝k = f p / f c 0。像RC 微分电路（图6.28(a)）一个零点，引起相位超前。一个极点，像积分电路（图6.27(a)）引起相位滞后。由于在f z 的零点在频率f 相位超前是

z

ld

f f 1

tan -=? 但对在f c 0超前的相位感兴趣，大小为

k M 1tan -=? （6-64）

在f ＝f c 0因极点f p 引起的相位滞后为

p

L

f f 1tan -=? 因极点f p 在f ＝f c 0引起的相位滞后为

k L

1tan 1

-=? （6-65）

在 f ＝f c 0由于极点在f p 滞后和零点在f z 超前的总相位

是式（6-64），（6-65）两者之和。

误差放大器是反相运算，在低频时输出与输入相差180°。因为这个相移是固定的，如果从参考电压来研究，相位差是零。以下之只考虑附加相移，不考虑固定相移。在低频原极点相移90°。从图6.34(b)可见，低频时误差放大器是一个电阻输入、电容反馈的积分器，这是因为低频时，电容C 1阻抗远远大于电阻R 2,反馈回路变为C 1与C 2并联。因为原点极点相移90°，加上零点超前和极点滞后总的相位

滞后为 k k t

1tan tan 901

1--+-=ο? (6-66)

应当注意到当k 很大（零点和极点分

开很大）时，净相位仍然滞后，零点

最大超前90°，极点滞后为零。计算结果如表6.1所示。

6.4.8 经过LC 滤波器的相移－输出电容有ESR

总环路相移包括误差放大器和输出滤波电容相移。图6.7(b)中R o =20Z o 且输出滤波电容没有ESR 时，通过滤波器在1.2f c 0处已经是175°。如果输出滤波电容有ESR ，如图6.32(b)所示，相位滞后大大改善。图中在f=f esr ＝(2πC o ESR )-1时,幅频特性由斜率-40dB/dec 转为-20dB/dec 。在f>f esr 时，C o 的容抗小于ESR ，电路的幅表6.1不同k 值Ⅱ型误差放大器k 滞后相位（图6-37） 2 3 4 5 6 10 53° 36° 28° 22° 18° 11° f c 0/f cer 相位滞后 f c 0/f esr 相位滞后 0.25 166° 2.5 112 °

0.50 153° 3 108° 0.75 143° 4 104°

1.0 135° 5 101° 1.2 130° 6 99.5°

1.4 126° 7 98.1° 1.6 122° 8 97.1°

1.8 119° 9 96.3°

2.0 116° 10 95.7°

频特性相似于LR 电路，而不是LC 电路。而LR 电路最大相移位90°,不是LC 电路最大可能的180°。这样ESR 零点产生一个相位提升，由于f esr 在任一个频率f 的相位滞后为

esr L f f

1tan 180--=ο?

因为对f c 0因f esr 零点的相位滞后感兴趣，此点相移 esr

c Lc

f f 0

1tan 180--=ο? （6-67） 对于不同的f c 0/f esr 值,输出电容具有ESR （图6.33）的LC 滤波器的滞后相位（式（6-67））如表6.2所示。因此，设置误差放大器幅频特性的水平部分数值相等，但符号相反于G t 在f c 0的损耗。将f c 0定位在希望的位置。因为在大多数情况下，f c 0位于总相频特性G t 以斜率-20dB/dec 穿越。由表6.1和6.2选取适当地k （零点和极点的位置）值，产生所希望的相位裕度。

6.4.9 设计举例－稳定一个带Ⅱ型误差放大器的正激变换器反馈环路

通过设计的例子说明所有先前各节讨论的很多资料的相互关系。稳定闭环的正激变换器参数如下：

U o = 5V; I o =10A;

I o min =1A;

f s =100kHz －开关频率;

输出最小纹波U p = 50mV 。

假定输出滤波电容具有ESR ，同时f c 0位于LC 滤波的斜率－20dB/dec 处。这可以使用幅频特性如图6.34的Ⅱ型误差放大器。电路如图6.39所示。

首先计算LC 滤波器参数。根据正激变换器原理得到

()min

21o o

I D T U

L -= 如果D =D max ＝0.4，I o min =I o /10

()o o

o o o o I T U I T U I D T U

L 33.021min min ==-=651015101053--?=??=(H)

因为输出纹波主要是输出电容的R esr （ESR ）和电感的脉动电流引起的，电感的脉动电流为ΔI = 2I o min 。U p =R esr ×ΔI ，根据经验有R esr C o =65×10-6,所以

F U I C p o o

μ2600106505.0210652

66min

=??=??=-- 输出滤波器的转折频率为 806102600101521216

6=???==--ππo c LC f Hz 由前面分析可知，ESR 零点频率使得幅频特性由斜率-40dB/dec 突然转到-20dB/dec,此点频率为

2500106521216

=??==-ππesr

o esr R C f Hz 在调制器中G m =0.5(U sp -1)/3,当占空度D =0.5时，U o =5V ,U sp =11V ,因为U o =(U sp -1)T on /T ,于是，G m =0.5(11-1)/3=1.67,即＋4.5dB.

U sp C 2

N r T1 L o C 1 R 2 T

U o 3V

U ea U ea

N p N s C o R s1 EA

U dc L p + PWM U t

R esr R s2 R 1 0V

U ref U t

Q

基极驱动 T on T on

图 6.39 正激变换器反馈环路设计举例

对于普通SG1524型

PWM 芯片，误差放大器

的参考输入为 2.5V ，当

U o =5V 时，R 1=R 2，采样

网路增益G s －6dB,所以

G m +G s =4.5-6=-1.5dB 。

幅频特性G t 是各单元

幅频特性相加G L + G m +

G s 如图 6.40中曲线

ABCD 所示。A 到转折频率806Hz （B ）为G m +G s ＝－1.5dB 。在B ，曲线转折为斜率-40dB/dec,并一直继续到ESR 的2500Hz 零点（C ）。在C 转折为-20dB/dec 斜率。

现在选择穿越频率为开关频率达1/5，即20kHz 。从幅频特性G t 上，20kHz 处是－40dB （数值为1/100）。因此，为保证环路增益在此频率为零，对应20kHz 穿越频率误差放大器的增益应为＋40dB 。误差放大器增益加上曲线ABCD 的总增益必须以斜率-20dB/dec 穿越，误差放大器的幅频特性如图6.40所示曲线EFGH.曲线上的F 到G 斜率为零，因为在20kHz 处曲线ABCD 斜率已经是-20dB/dec.

用Ⅱ型误差放大器就可以获得相频特性在F 到G 水平增益。Ⅱ型误差放大器水平部分增益是R 2/R 1。如果R 1任意取1k Ω，R 2则为100k Ω.

在f z 有一个零点来增加低频增益，以衰减电网纹波；极点位于G 点，用来降低高频增益，以减少尖峰噪声 I E +60 J +40 F G +20 K L H 0 M A B N -20 C -40 O -60 102 103 104 105 D f /Hz 图6.40 幅频特性－Ⅱ型误差放大器

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高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主 要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每 一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的10W降压Buck 变换器)。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在 系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙 之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使 用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。 更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 过电流限制： 3.0A 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大) 输入功率： Pout/估计效率=10.0W／0.90=11.1W 功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W 续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W 输入平均电流 低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA 高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。

控制环路设计

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：smartway 1. 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，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变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。

开关电源闭环反馈响应及测试

开关电源闭环反馈响应及测试 开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流。反馈控制环路的设计影响到许多因素，包括电压调整、稳定性和瞬态响应。当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的相位延迟等于360 时，反馈控制环路将会产生振荡。稳定性通常用下面两个参数来衡量： 相位裕量:当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360 间的差值，以度为单位表示。 增益裕量:当总相位延迟为360 时，增益低于单位增益的量，以分贝为单位表示。 对多数闭环反馈控制系统，当环路增益大于0dB时，相位裕量都大于45 （小于315 ）。当环路相位延迟达到360 时，增益裕量为-20dB或更低。 如果这些条件得到满足，控制环将具有接近最优的响应；它将是无条件稳定的，即不会阻尼过小也不会阻尼过大。通过测量在远远超出控制环通常操作带宽的情况下控制环的频率响应，可以保证能够反映出所有可能的情况。 一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线。测量是利用一个GP102增益相位分析仪（一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器）进行的，然后输入到电子表软件中。 在这一例子中，从0dB增益交点到360 测量得到的相位裕量为82 （360 到 278 ）。从0dB增益交点到相位达到360 的增益裕量为-35dB。把这些增益和相位裕量值与-20dB增益裕量和60 相位裕量的目标值相比较，可以肯定被测试电源的瞬态响应和调节是过阻尼的，也是不可接受的。 0dB交点对应的频率为160Hz，这导致控制环的响应太慢。理想情况下，在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的，考虑到非常保守的增益和相位裕量，不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性。当然需要对误差放大器补偿器件进行一些小的改动。进行修改后，可以对控制环重新进行测试以保证其无条件稳定性。通常可利用频率响应分析仪（FRA）或增益-相位分析仪进行这种测量。这些仪器采用了离散傅里叶变换（DFT）技术，因为被测信号经常很小且被掩盖在噪声和电源开关台阶所产生的失真中。DFT用来从中提取出感兴趣的信号。 测试信号注入 为进行测量，FRA向控制环中注入一个已知频率的误差信号扰动。利用两个FRA通道来判断扰动要多长时间才能从误差放大器输入到达电源输出。 扰动信号应该在控制环反馈信号被限制在单条路径的地方注入，并且来自低阻抗的驱动源。连接到电源输出或误差放大器输出的反馈路径是注入扰动信号的好地方。 通过信号发生器通过一个隔离变压器连接到测试电路，以保证FRA信号发生器和被测试电路间的电气隔离。注入方法将扰动信号注入到误差放大器的输入。对于电源输出电压在FRA最大输入电压限制以内的情况，这一方法是合适的。 如果被测量电源的输出电压比FRA最大输入电压还要高，那么第一种注入方法就不适用了。扰动信号被注入到误差放大器的输出，此处的控制环对地电压比较低。如果电源电压超过FRA输入范围则应采用这种注入方法。

开关电源设计步骤(精)

开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值u min ② 交流输入电压最大值u max ③ 电网频率F l 开关频率f ④ 输出电压V O （V ）：已知 ⑤ 输出功率P O （W ）：已知 ⑥ 电源效率η：一般取80％ ⑦ 损耗分配系数Z ：Z 表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级， Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压V FB 步骤3 根据u ，P O 值确定输入滤波电容C IN 、直流输入电压最小值V Imin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u ，查处C IN 值 ③ 得到V imin 步骤4 根据u ，确定V OR 、V B ① 根据u 由表查出V OR 、V B 值 ② 由V B 值来选择TVS 步骤5 根据Vimin 和V OR 来确定最大占空比Dmax V OR D m a x = ×100％ V OR +V I m i n －V D S (O N ) ① 设定MOSFET 的导通电压V DS(ON) ② 应在u=umin 时确定Dmax 值，Dmax 随u 升高而减小 步骤6 确定C IN ,V Imin 值

步骤7 确定初级波形的参数 ① 输入电流的平均值I A VG P O I A VG= ηV Imin ② 初级峰值电流I P I A VG I P = (1－0.5K RP )×Dmax ③ 初级脉动电流I R ④ 初级有效值电流I RMS I RMS =I P √D max ×(K RP 2/3－K RP +1) 步骤8 根据电子数据表和所需I P 值 选择TOPSwitch 芯片 ① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值 I LIMIT(min)应满足：0.9 I LIMIT(min)≥I P 步骤9和10 计算芯片结温Tj ① 按下式结算： Tj ＝[I 2RMS ×R DS(ON)+1/2×C XT ×(V Imax +V OR ) 2 f ]×R θ＋25℃ 式中C XT 是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容 ② 如果Tj ＞100℃，应选功率较大的芯片 步骤11 验算I P IP=0.9I LIMIT(min) ① 输入新的K RP 且从最小值开始迭代，直到K RP =1 ② 检查I P 值是否符合要求 ③ 迭代K RP =1或I P =0.9I LIMIT(min) 步骤12 计算高频变压器初级电感量L P ，L P 单位为μH 106P O Z(1－η)+ η L P = × I 2P ×K RP (1－K RP /2)f η 步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数： ① 磁芯有效横截面积Sj （cm 2），即有效磁通面积。 ② 磁芯的有效磁路长度l （cm ） ③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2) ④ 骨架宽带b （mm ） 步骤14 为初级层数d 和次级绕组匝数Ns 赋值 ① 开始时取d ＝2（在整个迭代中使1≤d ≤2） ② 取Ns=1(100V/115V 交流输入)，或Ns=0.6(220V 或宽范围交流输入) ③ Ns=0.6×(V O +V F1) ④ 在使用公式计算时可能需要迭代 步骤15 计算初级绕组匝数Np 和反馈绕组匝数N F ① 设定输出整流管正向压降V F1 ② 设定反馈电路整流管正向压降V F2 ③ 计算N P

高效率开关电源设计实例

高效率开关电源设计实 例 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器()。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+ 额定输出电流： 过电流限制： 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +*2A=(最大) 输入功率： Pout/估计效率=／= 功率开关损耗* 0．5= 续流二极管损耗：*= 输入平均电流 低输入电压时／10V= 高输入电压时：／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。

开关电源环路设计过程

1. 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，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，

环路相位-开关电源稳定性设计

环路相位-开关电源稳定性设计 专业技术 环路相位-开关电源稳定性设计 摘要：环路,相位,增益,负载,开关电源,稳定性,电压,相移,电源,频率, 信号接收机-基于单芯片的GPS接收机硬件设计白光调光-白光和彩色光智能照明系统解决方案设备方案-台达UPS在中小企业中的创新应用方案触摸屏电容-电容式触摸屏系统解决方案测量肺活量-利用高性能模拟器件简化便携式医疗设备设计测量温度-热敏电阻(NTC)的基本参数及其应用动能产品-动能电子企业文化活动丰富员工生活电路板镀锡-无锡华文默克发布PCB/SMT工艺方案引擎电压-采用接近传感器的火花探测器太阳能控制器-太阳能LED街灯的挑战及安森美半导体高能效解决方案众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式 有意地引入了180°相移，如果反馈 众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。 1 稳定性指标衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB 时所对应的相位。增益裕度是指：相位为-180度时所对应的增益大小(实际是衰减)。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相

开关电源闭环设计详细说明书

6.4 开关电源闭环设计 从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。反馈越深，干扰引起的输出误差越小。但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。 开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v）也是固定的（U o=k v U ref）。开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。 对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。如果恒流输出，就是电流串联负反馈。 如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V或2.5V，要求极小的动态电阻和温度漂移。其.次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。一般功率电路、滤波和PWM发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。根据不同的电路条件，可以采用Venable三种补偿放大器。补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。 6.4.1 概述

开关电源的制作流程

开关电源的制作流程 开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）具有高效率、低功率、体积小、重量轻等显著优点，代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源的设计与制作要求设计者具有丰富的实践经验，既要完成设计制作，又要懂得调试、测试与分析等。本文章介绍开关电源组成及制作、调试所需的基本步骤和方法。 第一节开关电源的电路组成 开关电源一般是指输入与输出隔离的电源变换器，包括AC/DC电源变换器和DC/DC电源变换器，也称为AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。非隔离式DC/DC变换器也属于开关电源，通常称之为开关稳压器。 1、AC/DC开关电源的组成 AC/DC开关电源的典型结构如图1-1-1所示。电源由输入电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。 图1-1-1 AC/DC开关电源的典型结构 其中输入整流/滤波电路、功率变换电路、输出整流/滤波电路和PWM控制器电路是主要电路，其他为辅助电路。有些开关电源中还有防雷击电路、输入过压/欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等其他辅助电路。 2. DC/DC开关电源的组成 DC/DC开关电源的组成相对AC/DC开关电源要简单一点，其典型结构如图1-1-2所示。电源由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。当然，有些DC/DC开关电源也会包含其他辅助电路。 图1-1-2 DC/DC开关电源的典型结构

第二节开关电源的制作流程 开关电源的设计与制作要从主电路开始，其中功率变换电路是开关电源的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构，该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源设计与制作一般流程。 1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构) 无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源，其核心都是DC/DC变换器。因此，开关电源的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下: (1)降压式变换器，亦称降压式稳压器。 (2)升压式变换器，亦称升压式稳压器。 (3)反激式变换器。 (4)正激式变换器。 (5)半桥式变换器。 (6)全桥式变换器。 (7)推挽式变换器。 降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC变换器中；反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC变换器中；正激式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC变换器中；半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入/输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC变换器中，其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率；推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC变换器中。 顾名思义，降压式变换器的输出电压低于输入电压，升压式变换器的输出电压高于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中，可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比，很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型，也可以是降压型号，还可以是极性变换型。在设计开关电源时，首先要根据输入电压、输出电压、输出功率的大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。 2.选择控制电路(PWM) 开关电源是通过控制功率晶体管或功率场效应管的导通与关断时间来实现电压变换的，其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式，简称脉宽度调制，缩写为PWM；脉冲频率调制方式，简称脉频调制，缩写PFM；混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式。 PWM方式，具有固定的开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，因此开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便，所以应用最为普通。目前，集成开关电源大多采用此方式。为便于开关电源的设计，众多厂家将PWM控制器设计成集成电路，以便用户选择。开关电源中常用的PWM控制器电路如下: (1)自激振荡型PWM控制电路。 (2)TL494电压型PWM控制电路。 (3)SG3525电压型PWM控制电路。 (4)UC3842电流型PWM控制电路。 (5)TOPSwitch-II系列的PWM控制电路。 (6)TinySwitch系列的PWM控制电路。 3.确定辅助电路

开关电源PCB设计要点及实例分析

开关电源PCB设计要点及实例分析 开关电源PCB设计要点及实例分析 开关电源PCB设计要点及实例分析 为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC/DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB设计就变得非常重要。开关电源PCB设计与数字电路PCB设计完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以,设计人员需要对开关电源PCB设计基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。 1 开关电源PCB设计基本要点 1.1 电容高频滤波特性 图1是电容器基本结构和高频等效模型。 图1 电容器结构和寄生等效串联电阻和电感 电容的基本公式是 C=Εrε0 （1）

式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（D）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。 电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（ZC）。 图2 电容阻抗（ZC）曲线 一个电容器的谐振频率（F0）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即 F0= （2） 当一个电容器工作频率在F0以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即 ZC= （3） 当电容器工作频率在F0以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即 ZC=J2πfLESL（4） 当电容器工作频率接近F0时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。 电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，

开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计

开关电源（Buck电路）的小信号模型及环路设计 万山明，吴芳 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074） 摘要：建立了Buck电路在连续电流模式下的小信号数学模型，并根据稳定性原则分析了电压模式和电流模式控制下的环路设计问题。 关键词：开关电源；小信号模型；电压模式控制；电流模式控制 0 引言 设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时，控制环路的设计是很重要的一个部分。而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。为了进行稳定性分析，有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下，波特图提供了一种简单方便的工程分析方法，可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象，因此，用解析的办法建模只能近似建立其在稳态时的小信号扰动模型，而用该模型来解释大范围的扰动（例如启动过程和负载剧烈变化过程）并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态，实践表明，依据小信号扰动模型设计出的控制电路，配合软启动电路、限流电路、钳位电路和其他辅助部分后，完全能使开关电源的性能满足要求。开关电源一般采用Buck电路，工作在定频PWM控制方式，本文以此为基础进行分析。采用其他拓扑的开关电源分析方法类似。 1 Buck电路电感电流连续时的小信号模型 图1为典型的Buck电路，为了简化分析，假定功率开关管S和D1为理想开关，滤波电感L为理想电感（电阻为0），电路工作在连续电流模式（CCM）下。R e为滤波电容C的等效串联电阻，R o为负载电阻。各状态变量的正方向定义如图1中所示。 图1 典型Buck电路

S 导通时，对电感列状态方程有 O U Uin dt dil L -= ⑴ S 断开，D 1续流导通时，状态方程变为 O U dt dil L -= （2） 占空比为D 时，一个开关周期过程中，式（1）及式（2）分别持续了DT s 和（1－D ）T s 的时间（T s 为开关周期），因此，一个周期内电感的平均状态方程为 ())()(O in O O in U DU U D U U D dt dil L -=--+-=1 稳态时，dt dil =0，则DU in =U o 。这说明稳态时输出电压是一个常数，其大小与占空比D 和输入电压U in 成 正比。 由于电路各状态变量总是围绕稳态值波动，因此，由式（3）得 L =(D ＋d )(U in ＋)－(U o ＋) （4） 式（4）由式（3）的稳态值加小信号波动值形成。上标为波浪符的量为波动量，d 为D 的波动量。式（4）减式（3）并略去了两个波动量的乘积项得 L =D ＋dU in － （5） 由图1，又有 i L =C ＋ （6） U o =U c ＋R e C （7）

开关电源开发流程

开关电源开发流程 1 目的 希望以簡短的篇幅，將公司目前設計的流程做介紹，若有介紹不當之處，請不吝指教. 2 設計步驟: 2.1 繪線路圖、PCB Layout. 2.2 變壓器計算. 2.3 零件選用. 2.4 設計驗證. 3 設計流程介紹(以DA-14B33為例): 3.1 線路圖、PCB Layout請參考資識庫中說明. 3.2 變壓器計算: 變壓器是整個電源供應器的重要核心，所以變壓器的計算及驗証是很重要的，以 下即就DA-14B33變壓器做介紹. 3.2.1 決定變壓器的材質及尺寸: 依據變壓器計算公式 B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次側電感值(uH) Ip = 一次側峰值電流(A) Np = 一次側(主線圈)圈數 Ae = 鐵心截面積(cm2) B(max) 依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以TDK Ferrite Core PC40為 例，100℃時的B(max)為3900 Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般 取3000~3500 Gauss之間，若所設計的power為Adapter(有外殼)則應取3000 Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越 高，所以可以做較大瓦數的Power。 3.2.2 決定一次側濾波電容: 濾波電容的決定，可以決定電容器上的Vin(min)，濾波電容越大，Vin(win) 越高，可以做較大瓦數的Power，但相對價格亦較高。 3.2.3 決定變壓器線徑及線數: 當變壓器決定後，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可 決定變壓器的線徑及線數，亦可計算出線徑的電流密度，電流密度一般 以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計而言，只能當做參考值， 最終應以溫昇記錄為準。 3.2.4 決定Duty cycle (工作週期): 由以下公式可決定Duty cycle ，Duty cycle的設計一般以50%為基準，Duty cycle若超過50%易導致振盪的發生。 NS = 二次側圈數 NP = 一次側圈數 V o = 輸出電壓 VD= 二極體順向電壓 Vin(min) = 濾波電容上的谷點電壓 D = 工作週期(Duty cycle)

开关电源控制环设计原理

开关电源控制环设计原理 1. 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。 图1 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。

图2 存在第二种零点，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。 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变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。

高效率开关电源设计实例

高效率开关电源设计实例 1 0 W同步整流Buck变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路 的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PW履计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器（板载的10W降压 Buck变换器）。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步 控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3/4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的（见图20的电路图）。 设计指标 输入电压范围：DC+10- +14V 输出电压：DC+5.0V

额定输出电流：2.0A 过电流限制：3.0A 输出纹波电压：+30mV (峰峰值) 输出调整：土1% 最大工作温度：+40 C “黑箱”预估值 输出功率：+5.0V *2A=10.0W最大) 输入功率：Pout/估计效率=10.0W^0.90=11.1W 功率开关损耗(11.1W-10W) * 0 . 5=0.5W 续流二极管损耗：(1I.IW-10W) *0.5=0.5W 输入平均电流 低输入电压时11.1W / 10V=1.1IA 高输入电压时：11.1W/ 14V=0. 8A 估计峰值电流：1 . 4lout(rated)=1 . 4X 2. 0A=2. 8A 设计工作频率为300kHz。

反激式开关电源的设计方法

1 设计步骤: 1.1 产品规格书制作 1.2 设计线路图、零件选用. 1.3 PCB Layout. 1.4 变压器、电感等计算. 1.5 设计验证. 2 设计流程介绍: 2.1 产品规格书制作 依据客户的要求，制作产品规格书。做为设计开发、品质检验、生产测试等的依据。 2.2 设计线路图、零件选用。 2.3 PCB Layout. 外形尺寸、接口定义，散热方式等。 2.4 变压器、电感等计算. 变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的， 2.4.1 决定变压器的材质及尺寸: 依据变压器计算公式 Gauss x NpxAe LpxIp B 100(max ) B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次侧电感值(uH) Ip = 一次侧峰值电流(A) Np = 一次侧(主线圈)圈数 Ae = 铁心截面积(cm 2) B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK Ferrite Core PC40为例，100℃时的B(max)为3900 Gauss ，设计时应考 虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss 之间，若所设计的 power 为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss 左右，以避免铁心 因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae 越高，所以可以 做较大瓦数的Power 。 2.4.2 决定一次侧滤波电容: 滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin(min)，滤波电容越大，Vin(win)越高，可以做较大瓦数的Power ，但相对价格亦较高。 2.4.3 决定变压器线径及线数: 变压器的选择实际中一般根据经验，依据电源的体积、工作频率，

开关电源EMI设计-电源PCB设计要点

开关电源EMI设计-电源PCB设计要点 摘要：由于开关电源的开关特性，容易使得开关电源产生极大的电磁兼容方面的干扰，作为一个电磁兼容工程师，或则一个PCB layout 工程师必须了解电磁兼容问题的原因已经解决措施，特别是layout 工程师，需要了解如何避免脏点的扩大，本文主要介绍了电源PCB 设计的要点。 1，几个基本原理：任何导线都是有阻抗的；电流总是自动选择阻抗最小的路径；辐射强度和电流、频率、回路面积有关；共模干扰和大dv/dt 信号对地互容有关；降低EMI 和增强抗干扰能力的原理是相似的。 2，布局要按电源、模拟、高速数字及各功能块进行分区。 3，尽量减小大di/dt 回路面积，减小大dv/dt 信号线长度（或面积，宽度也不宜太宽，走线面积增大使分布电容增大，一般的做法是：走线的宽度尽量大，但要去掉多余的部分），并尽量走直线，降低其隐含包围区域，以减小辐射。 4，感性串扰主要由大di/dt 环路（环形天线），感应强度和互感成正比，所以减小和这些信号的互感（主要途径是减小环路面积、增大距离）比较关键；容性串扰主要由大dv/dt 信号产生，感应强度和互容成正比，所有减小和这些信号的互容（主要途径是减小耦合有效面积、增大距离，互容随距离的增大降低较快）比较关键。 5，尽量利用环路对消的原则来布线，进一步降低大di/dt 回路的面积，如图1 所示（类似双绞线利用环路对消原理提高抗干扰能力，增大传输距离）：

图1 ，环路对消（boost 电路的续流环） 6，降低环路面积不仅降低了辐射，同时还降低了环路电感，使电路性能更佳。 7，降低环路面积要求我们精确设计各走线的回流路径。 8，当多个PCB 通过接插件进行连接时，也需要考虑使环路面积达到最小，尤其是大di/dt 信号、高频信号或敏感信号。最好一个信号线对应一条地线，两条线尽量靠近，必要时可以用双绞线进行连接（双绞线每一圈的长度对应于噪声半波长的整数倍）。如果大家打开电脑机箱，就可以看到主板到前面板USB 接口就是用双绞线进行连接，可见双绞线连接对于抗干扰和降低辐射的重要性。 9，对于数据排线，尽量在排线中多安排一些地线，并使这些地线均匀分布在排线中，这样可以有效降低环路面积。 10，有些板间连接线虽然是低频信号，但由于这些低频信号中含有大量的高频噪声（通过传导和辐射），如果没有处理好，也很容易将这些噪声辐射出去。 11，布线时首先考虑大电流走线和容易产生辐射的走线。 12，开关电源通常有4 个电流环：输入、输出、开关、续流，（如图2 ）。其中输入、输出两个电流环几乎为直流，几乎不产生emi ，但容易受干扰；开关、续流两个电流环有较大的di/dt ，需要注意。如果输入、输出两个电容用多

反激式开关电源设计资料要点

反激式开关电源设计资料 前言 反激式开关电源的控制芯片种类非常丰富，芯片厂商都有自己的专用芯片，例如UC3842、UC3845、OB2262、OB2269、TOPSWITCH 等等。虽然控制芯片略有不同，但是反激式开关电源的拓扑结构和电路原理基本上是一样的，本资料以UC3842为控制芯片设计了一款反激式开关电源。 单端反激式开关稳压电源的基本工作原理如下： D1 T R L 图1 反激式开关电源原理图 当加到原边主功率开关管Q1的激励脉冲为高电平使Q1导通时，直流输入电压V IN加载原边绕组N P两端，此时因副边绕组相位是上负下正，使整流管D1反向偏置而截止；当驱动脉冲为低电平使Q1截止时，原边绕组N P两端电压极性反向，使副边绕组相位变为上正下负，则整流管被正向偏置而导通，此后存储在变压器中的磁能向负载传递释放。因单端反激式电源只是在原边开关管到同期间存储能

量，当它截止时才向负载释放能量，故高频变压器在开关工作过程中，既起变压隔离作用，又是电感储能元件。因此又称单端反激式变换器是一种“电感储能式变换器”。 学习了反激式开关电源的工作原理之后，我们可以自行设计一款电源进行调试。开关电源是一门实验科学，理论知识的学习是必不可少的，但是光掌握了理论知识是远远不够的，还要多做实验，测试不同环境不同参数下的电源工作情况，这样才能对电源有更深的认识。除此之外，掌握大量的实验数据可以对以后设计电源和电源的优化提供很大帮助，可以更快速更合理的设计出一款新电源或者排除一些电源故障。通过阅读下面的章节，可以使你对电源从原理理解到设计能力有一个快速的提升。

第一章 电源参数的计算 第一步，确定系统的参数。我们设计一个电源首先要确定电源工作在一个什么样的环境，比如说输入电压的范围、频率、网侧电压是否纯净，接下来是电源的输出能力包括输出电压、电流和纹波大小等等。先要确定这些相关因素，才能更好的设计出符合标准的电源。我们在第二章会详细介绍如何利用这些参数设计电源。 输入电压范围（V line min 和V line max ）； 输入电压频率（f L ）； 输出电压（V O ）； 输出电流（I O ）； 最大输出功率 （P 0）。 效率估计（E ff ）：需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。如果没有参考数据可供使用，则对于低电压输出应用和高电压输出应用，应分别将E ff 设定为0.8~0.85。 利用估计效率，可由式（1-1）求出最大输入功率。 O IN ff P P E = （1-1） 第二步：确定输入整流滤波电容（C DC ）和DC 电压范围。 最大DC 电压纹波计算： max DC V ?= （1-2） 式（1-2）中，D ch 为规定的输入整流滤波电容的充电占空比。其 典型值为0.2。对于通用型输入（85~265Vrms ），一般将max V DC ?设定为

开关电源如何设计和什么步骤

开关电源如何设计和什么步骤 2009年07月08日星期三下午 11:45 开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值umin ② 交流输入电压最大值umax ③ 电网频率Fl 开关频率f ④ 输出电压VO(V):已知 ⑤ 输出功率PO(W):已知 ⑥ 电源效率η:一般取80% ⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB 步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u,查处CIN值 ③ 得到Vimin 确定CIN,VImin值 u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V) 固定输入:100/115 已知2~3 (2~3)×PO ≥90 通用输入:85~265 已知2~3 (2~3)×PO ≥90 固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240 步骤4 根据u,确定VOR、VB ① 根据u由表查出VOR、VB值 ② 由VB值来选择TVS u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V) 固定输入:100/115 60 90 通用输入:85~265 135 200 固定输入:230±35 135 200 步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax ① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON) ② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小 步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP u(V) KRP 最小值(连续模式) 最大值(不连续模式) 固定输入:100/115 0.4 1 通用输入:85~265 0.4 1 固定输入:230±35 0.6 1 步骤7 确定初级波形的参数