下载文档原格式
1. 开关电源的稳定性与安全性测试最近频频发生的手机着火、爆炸等电子产品安全问题，一方面是由于产品自身充电模块的保护设计不足，另一方面与消费者使用劣质电源也有莫大关系。
安全性、稳定性是一款电源的灵魂，那么该如何去衡量它呢？本文将为您一一揭晓。
1.1 开关电源工作原理开关电源是通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
其以轻量、高效率的特点被广泛应用在各类电子设备，例如我们的手机充电器、笔记本电源等就是一种非常典型的AC-DC开关电源。
图1 常见AC-DC开关电源构造虽然开关电源的牌子五花八门，但往往质量却参差不齐，这是因为有些厂家为了节约成本，没有对产品的稳定性进行测试导致的。
1.2 开关电源稳定性测量参数以电网调整率为例：其含义为当输入电网电压由额定值变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量ΔUo/Uo，它衡量了输入电压波动时电源输出值的稳定性。
而其他类似的参数，如电压稳定度、电流稳定度等，都是通过改变输入端的电压、电流，测量对应时间节点的输出值，再将结果与额定输出值进行比较，对开关电源的输出稳定特性进行评估。
1.3 如何简单地测量电网调整率与电压电流的稳定度？根据公式可知，测量电网调整率需要记录下电压的变化值ΔUo并进行计算，不能直接获取测量结果。
致远电子PA6000功率分析仪具备趋势图显示功能，可以直观地显示出电源输出电压的变化状况，免去人工计算步骤，直接观察到具体电源输出的波动情况，方便研发时对电源输出的稳定性进行定性分析。
图2 PA6000趋势图显示功能PA6000具备独有的4分屏，16条趋势线同步显示，有利于同步分析开关电源的三相输入或者三相输出的波动情况。
1.4 开关电源参数之启动时间与响应时间此外，开关电源测试还关注启动时间和响应时间。
启动时间是指在额定输入电压和额定负载的条件下，开关电源启动后，输出电压从零上升到额定输出电压值的时间长度；响应时间是指负载电流突然变化时，稳压器的输出电压从开始变化到达新的稳定值的时间长度。
电力电子技术中的开关电源稳定性问题解决方案在电力电子技术领域，开关电源被广泛应用于各种电子设备中，如电脑、电视、手机等。
然而，开关电源在工作过程中可能会遇到一些稳定性问题，如输出电压波动、负载调整时的响应速度慢等。
为了解决这些问题，工程师们提出了一系列解决方案，以提高开关电源的稳定性。
本文将介绍一些常见的解决方案，并探讨其优缺点。
1. 负载平衡控制负载平衡控制是一种通过调整负载来提高开关电源稳定性的方法。
通过监测负载的变化，控制电源输出电压的稳定性。
具体来说，可以通过增加负载电流的计算方法，以达到平衡负载的目的。
虽然这种方法可以在一定程度上提高稳定性，但是其优势在于简单易行，缺点在于无法解决电源本身的波动问题。
2. 调整开关频率开关频率是开关电源的一个重要参数，它对其稳定性有着直接影响。
通过调整开关频率，可以降低输出电压的波动程度，提高开关电源的稳定性。
研究表明，较高的开关频率可以减少输出电压的波动，但也会增加电源的功耗。
因此，在选择开关频率时，需要综合考虑功耗和稳定性之间的权衡。
此外，还可以通过采用多重开关频率的控制方法来提高稳定性。
3. 使用反馈控制反馈控制是一种常见且有效的方法，用于提高开关电源的稳定性。
通过采集输出电压、电流等参数，并将其与设定值进行比较，通过调节控制回路来实现对电源的稳定控制。
这种方法可以及时检测并纠正电源输出的偏差，以达到稳定的输出效果。
然而，反馈控制的缺点在于需要较复杂的电路设计，并且容易受到环境干扰。
4. 推嵌式磁控制推嵌式磁控制是一种应用于开关电源的新技术，它可以提高电源的稳定性和效率。
通过在开关电源输入端添加嵌入式磁性元件，可以减少输出电压的波动，并提高稳定性。
这种技术还具有体积小、重量轻等优点。
然而，其缺点在于需要较高的成本投入和复杂的制造工艺。
5. 使用滤波器滤波器是一种常见的用于抑制电源噪声的装置，也可以用来提高开关电源的稳定性。
通过将滤波器连接在电源输出端，可以有效地滤除输出电压中的高频噪声，提供更稳定的输出电压。
高温环境下开关电源的稳定性研究近年来，随着高温环境下电子设备的使用日益普及，研究高温环境下开关电源的稳定性变得越来越重要。
开关电源是现代电子设备中常用的电源转换器，其稳定性直接影响到设备的性能和可靠性。
因此，在高温环境下对开关电源的稳定性进行研究具有重要的意义。
高温环境对开关电源的稳定性造成了许多挑战。
首先，高温环境会导致电容器的寿命缩短，使得电容器在高温下容易老化和泄漏，从而影响开关电源的工作稳定性。
其次，高温会导致电感器的电阻增加，从而影响开关电源的效率和输出稳定性。
此外，高温还会导致电路元件的温度漂移，增加电阻和电容器的温度系数，使得电路参数的变化更加显著。
因此，研究高温环境下开关电源的稳定性对于提高电子设备在极端环境下的可靠性至关重要。
在研究高温环境下开关电源的稳定性时，可以从以下几个方面入手：首先，需要选择合适的材料和元件。
在高温环境下，选择耐高温、抗老化、低温漂移的材料和元件对于保证开关电源的稳定性非常重要。
例如，使用高温稳定性好的陶瓷电容器和耐高温的电感器可以减少元件的老化和温度漂移。
其次，需要进行热设计和散热改进。
高温环境下，开关电源的散热问题更加突出。
通过合理的热设计和散热改进，可以降低电路元件的温度，提高整个电源系统的稳定性。
例如，可以采用散热片、风扇等降温措施，提高散热效果。
同时，需要优化电路拓扑和控制策略。
电路拓扑和控制策略是影响开关电源稳定性的关键因素。
通过优化电路拓扑和控制策略，可以减少开关电源在高温环境下的失调和失效。
例如，采用恒频控制策略和合适的电路拓扑，可以提高开关电源的效率和稳定性。
此外，还需要进行严格的高温环境下的实验测试和可靠性评估。
通过实验测试和可靠性评估，可以验证开关电源在高温环境下的稳定性，并找出可能存在的问题和改进的空间。
例如，可以进行高温老化实验、高温长时间工作实验等，评估开关电源在高温环境下的性能和可靠性。
总之，高温环境下开关电源的稳定性研究具有重要的意义。
直流开关稳压电源设计一、设计背景及意义随着电子技术的飞速发展，各类电子设备对电源的需求日益增长。
直流开关稳压电源以其高效、稳定、体积小、重量轻等优点，在通信、计算机、家用电器等领域得到了广泛应用。
设计一款性能优越、可靠性高的直流开关稳压电源，对于提高电子设备的整体性能具有重要意义。
二、设计目标1. 输出电压范围：12V±1V；2. 输出电流：2A；3. 转换效率：≥85%；4. 工作温度范围：25℃~+85℃；5. 具有过压、过流、短路保护功能；6. 体积小，便于安装。
三、设计方案1. 电路拓扑选择本设计采用开关电源的主流拓扑——反激式变换器。
反激式变换器具有电路简单、体积小、效率高等优点，适用于中小功率电源设计。
2. 主控芯片选型选用ST公司的STM32F103系列微控制器作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等特点，能够满足开关电源的设计需求。
3. 功率开关管选型功率开关管是开关电源的核心元件，本设计选用N沟道MOSFET作为功率开关管。
根据设计指标，选用IRF530N型号MOSFET，其导通电阻低，可降低开关损耗，提高转换效率。
4. 输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路采用肖特基二极管和LC滤波电路。
肖特基二极管具有正向压降低、开关速度快的特点，适用于开关电源整流。
LC滤波电路能有效抑制输出电压纹波，提高输出电压稳定性。
5. 保护电路设计为实现过压、过流、短路保护功能，设计如下保护电路：（1）过压保护：在输出端设置一个电压比较器，当输出电压超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。
（2）过流保护：在功率开关管源极串联一个取样电阻，实时监测电流值。
当电流超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。
（3）短路保护：在输出端设置一个电流比较器，当输出电流超过设定值时，触发保护动作，切断功率开关管的驱动信号。
四、实验验证与优化1. 搭建实验平台，对设计的直流开关稳压电源进行测试，观察输出电压、电流、效率等参数是否符合设计要求。
电力电子技术中的开关电源稳定性问题解决在电力电子技术领域中，开关电源的稳定性问题一直是一个关注的焦点。
开关电源的稳定性直接影响着整个电力系统的可靠性和效果。
本文将探讨电力电子技术中开关电源稳定性问题的解决方法。
一、开关电源的稳定性问题概述开关电源作为一种常用的电力电子设备，具有高能效、小体积和可调性强等特点，被广泛应用于各个领域。
然而，由于其整流环节存在的开关行为和功率因素调节等原因，导致开关电源在工作过程中容易产生一些稳定性问题。
例如输出电压波动大、远离设定值、负载响应能力差等。
二、稳定性问题的原因分析1. 开关动作不精确：开关电源的稳定性问题往往与开关件的精度有关。
开关电源在开关过程中既要迅速切换又要保持较高的精度，若开关动作不准确，就会导致输出电压波动。
2. 电路参数变化：开关电源的电路参数可能会随着温度变化、元器件老化等因素而发生变化。
这些参数的变化可能导致开关电源的输出电压产生波动或偏离设定值。
3. 输入电源的干扰：开关电源在工作时，输入电源可能会受到外界干扰，如电磁辐射、电压波动等。
这些干扰可能会传导到开关电源输出端，引起输出电压的不稳定性。
三、解决开关电源稳定性问题的方法1. 优化开关设计：通过改进开关电源的设计，提高开关件的精度和动作准确性，减小开关动作带来的波动。
可以采用高精度的开关元器件，优化控制算法，提升开关电源的稳定性。
2. 对电路参数进行补偿调节：通过对开关电源的电路参数进行实时监测和测量，利用反馈控制算法对电路参数进行补偿调节，使得开关电源在工作过程中能够自动适应参数变化，提高稳定性。
3. 增加滤波电路：在开关电源输出端加入滤波电路，能够有效地滤除输入电源的干扰信号和谐波成分。
滤波电路的设计应考虑到频域特性和干扰的消除效果，以提高开关电源的稳定性。
4. 提高工作温度范围和负载适应能力：开关电源在设计中考虑到工作温度范围和负载变化的适应能力，使其在不同工况下能够保持较好的稳定性。
开关电源环路稳定的实验方式方法6.5 开关电源环路稳定的试验方法前面频率特性分析方法是以元器件小信号参数为基础，同时在线性范围内，似乎很准确。
但有时很难做到，例如电解电容ESR不准确且随温度和频率变化；电感磁芯磁导率不是常数，还有由于分布参数或工艺限制，电路存在分布参数等等，使得分析结果不可能完全吻合，有时甚至相差甚远。
分析方法只是作为实际调试的参考和指导。
因此，在有条件的情况下，直接通过测量运算放大器以外的环路的频率响应，根据6.4节的理论分析，利用测得的频率特性选择Venable误差放大器类型，对环路补偿，并通过试验检查补偿结果，应当说这是最直接和最可靠设计方法。
采用这个方法，你可以在一个星期之内将你的电源闭环调好。
前提条件是你应当有一台网络分析仪。
6.5.1 如何开环测试响应桥式、半桥、推挽、正激以及Buck变换器都有一个LC滤波电路，输出功率电路对系统性能影响最大。
为了讨论方便，以图6.31为例来说明测试方法，重画为图6.48(a)。
电路参数为：输入电压115V，输出电压为5V，如前所述，滤波电感和电容分别为L=15μH，C=2600μF，PWM控制器采用UC1524,它的锯齿波幅值为3V，只用两路脉冲中的一路，最大占空比为0.5。
为了测量小信号频率特性，变换器必须工作在实际工作点：额定输出电压、占空比和给定的负载电流。
从前面分析知道，如果把开关电源看着放大器，放大器的输入就是参考电压。
从反馈放大器电路拓扑来说，开关电源的闭环是一个以参考电压为输入的电压串联负反馈电路。
输入电源的变化和/或负载变化是外界对反馈控制环路的扰动信号。
取样电路是一个电阻网络的分压器，分压比就是反馈系数，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。
参考电压（相应于放大器的输入电压）稳定不变，即变化量为零，输出电压也不变(5V)。
如上所述，所有三种误差放大器都有一个原点极点。
在低频闭环时，由于原点极点增益随频率减少而增高（即在反馈回路电容）在很低频率，有一个最大增益，由误差放大器开环增益决定。
大功率开关电源设计1. 引言大功率开关电源是一种能够稳定输出高功率电能的电源系统。
它在工业、通信、医疗等领域得到广泛应用。
本文将介绍大功率开关电源的设计原理、关键性能指标和具体设计步骤。
2. 设计原理大功率开关电源的设计原理基于切换电路的工作方式。
开关电源通过快速开关电路的状态，控制输入电压在输出端之间的传递。
这种工作方式能够实现高效能的电能转换和稳定的输出。
3. 关键性能指标大功率开关电源的性能主要体现在以下几个关键指标上：3.1 输出功率输出功率指的是开关电源可以稳定输出的最大功率。
设计大功率开关电源时，需要根据具体应用需求确定所需的输出功率。
3.2 效率效率是指输入功率与输出功率之间的比值。
大功率开关电源的设计需考虑如何提高电能的转化效率，以达到节能的目的。
3.3 稳定性稳定性是指开关电源在不同输入电压、负载变化等工况下输出电压的波动程度。
大功率开关电源应具备良好的稳定性，以确保输出电压的可靠性和稳定性。
3.4 输出电压纹波输出电压纹波是指输出电压在工作周期内的变化量。
较小的输出电压纹波意味着电源输出更加稳定，能够满足特定应用的要求。
3.5 开关频率开关频率是指开关电源进行切换的速率。
高频开关电源具有更高的效率和较小的元件体积，但也带来了更大的电磁干扰和更高的开关成本。
4. 设计步骤设计大功率开关电源的步骤如下：4.1 确定输出功率和电压根据实际应用需求，确定所需的输出功率和电压。
4.2 选择变换器拓扑结构根据设计要求和特定应用，选择合适的变换器拓扑结构，如Boost、Buck、Buck-Boost等。
4.3 计算元件参数根据选定的拓扑结构和设计要求，计算出所需的元件参数，包括电感、电容、开关管等。
4.4 电路仿真与验证使用相关电路仿真软件对设计的电路进行验证和优化，确保其满足设计要求和性能指标。
4.5 PCB布局和布线将设计好的电路布局在PCB上，并进行合理的布线，避免信号干扰和功率损耗。
•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：相位为零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位裕度应大于30°。
如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。
(1)功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；
(2)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大；
(3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路部集成的电压比较器(这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。
2 稳定性分析
如图1所示，假如在节点A处引入干扰波。
此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量。
如果检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。
如果在某一频率下增益等于l且总的额外相移为180°(此相移加上原先设定的180°相移，总相移量为360°)，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。
如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反馈补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。
波特图对应于小信号(理论上的小信号是无限小的)扰动时系统的响应；但是如果扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分决定的，而可能是由非线性部分决定的，如运放的压摆率、增益带宽或者电路中可能达到的最小、最大占空比等。
当这些因素影响系统响应时，原来的系统就会表现为非线性，而且传递函数的方法就不能继续使用了。
因此，虽然小信号稳定是必须满足的，但还不足以保证电源的稳定工作。
因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，还要处理好电源系统的大信号响应特性。
电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性来判断，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，则输入电压跃变响应特性一定好。
对开关电源环路稳定性判据的理论分析是很复杂的，这是因为传递函数随着负载条件的改变而改变。
各种不同线绕功率元器件的有效电感值通常会随着负载电流而改变。
此外，在考虑大信号瞬态的情况下，控制电路工作方式转变为非线性工作方式，此时仅用线性分析将无法得到完整的状态描述。
下面详细介绍通过对负载跃变瞬态响应波形分析来判断开关电源环路稳定性。
3 稳定性测试
测试条件：
(1)无感电阻；
(2)负载变化幅度为10％~100％；
(3)负载开关频率可调(在获得同样理想响应波形的条件下，开关频率越高越好)；
(4)限定负载开关电流变化率为5A／μs或者2A/μs，没有声明负载电流大小和变化率的瞬态响应曲线图形无任何意义。
图3(a)为瞬变负载波形。
图3(b)为阻尼响应，控制环在瞬变边缘之后带有振荡。
说明拥有这种响应电源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定条件下才能稳定。
因此，要尽量避免这种类型的响应，补偿网络也应该调整在稍低的频率下滑离。
图3(c)为过阻尼响应，虽然比较稳定，但是瞬态恢复性能并非最好。
滑离频率应该增大。
图3(d)为理想响应波形，接近最优情况，在绝大多数应用中，瞬态响应稳定且性能优良，增益裕度和相位裕度充足。
对于正向和负向尖峰，对称的波形是同样需要的，因此从它可以看出控制部分和电源部分在控制内有中心线，且在负载的增大和减少的情况下它们的摆动速率是相同的。
上面介绍了开关电源控制环路的两个稳定性判据，就是通过波特图判定小信号下开关电源控制环路的相位裕度和通过负载跃变瞬态响应波形判定大信号下开关电源控制环路的稳定性。
下面介绍四种控制环路稳定性的设计方法。
4 稳定性设计方法
4．1 分析法
根据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析(计算机仿真)。
实际上进行总体分析时，要求所有的参数要精确地等于规定值是不大可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。
同样，能改变系统线性工作的较大
瞬态响应也是很难预料到的。
4．2 试探法
首先测量好脉宽调整器和功率变换器部分的传递特性，然后用“差分技术”来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。
要想使实际的放大器完全满足最优特性是不大可能的，主要的目标是实现尽可能地接近。
具体步骤如下：
(1)找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入零点，那么在直到等于穿越频率的范围内相移小于315°(相位裕度至少为45°)；
(2)找到开环曲线中EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入极点(否则这些零点将使增益特性变平，且不能按照期望下降)；
(3)如果低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以提高低频下的增益。
大多数情况下，需要进行“微调”，最好的办法是采用瞬态负载测量法。
4. 3 经??控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。
然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效。
其缺点是无法确定性能的最优。
4．4 计算和测量结合方法
综合以上三点，主要取决于设计人员的技能和经验。
对于用上述方法设计完成的电源可以用下列方法测量闭环开关电源系统
的波特图，测量步骤如下。
如图4所示为测量闭环电源系统波特图的增益和相位时采用的一个常用方法，此方法的特点是无需改动原线路。
如图4所示，振荡器通过变压器T1引入一个很小的串联型电压V3至环路。
流入控制放大器的有效交流电压由电压表V1测量，输出端的交流电压则由电压表
V2测量(电容器C1和C2起隔直流电流的作用)。
V2/V1(以分贝形式)为系统的电压增益。
相位差就是整个环路的相移(在考虑到固定的180°负反馈反相位之后)。
输入信号电平必须足够小，以使全部控制环路都在其正常的线性范围内工作。
4．5 测量设备
波特图的测量设备如下：
(1)一个可调频率的振荡器V3，频率范围从10Hz(或更低)到50kHz(或更高)；。
