开关电源环路设计(详细)

开关电源环路设计要点开关电源是一种电源供电方式，主要通过开关电器元件（如MOS管）在开关状态下实现电能转换和电压变换。

开关电源具有高效率、小体积、低成本等优点，被广泛应用于各种电子设备中。

下面就开关电源环路设计的要点进行详细介绍。

一、开关电源环路基本结构开关电源环路一般由输入电源滤波、脉宽调制、开关器件、输出滤波、反馈控制五个部分组成。

其中，输入电源滤波主要用于滤除输入电源中的交流干扰，保证开关电源工作的稳定性；脉宽调制控制开关器件的导通时间，进而控制输出电压的大小；开关器件用于控制电能的转换和电压变换；输出滤波用于去除开关导通时产生的高频噪声；反馈控制通过检测输出电压，调整脉宽调制信号，实现输出电压的稳定。

二、开关频率的选择开关频率是指开关电源中开关器件（如MOS管）的工作频率。

开关频率的选择要根据具体应用需求来确定。

一般情况下，高开关频率可以实现较高的转换效率，但也会增加开关器件和元件的压力，增加损耗。

因此，在选择开关频率时需要综合考虑功率损耗、损耗成本、EMI等因素，合理选择开关频率。

三、开关器件的选型开关电源中的开关器件是实现能量转换和电压变换的核心关键部分。

目前常见的开关器件有MOS管、IGBT等。

在选型时需要综合考虑开关电源的输出功率、工作温度、开关频率等因素。

此外，还要考虑开关器件的导通电阻、关断电阻、开关速度、电流承载能力等性能参数。

四、输出滤波电路设计输出滤波电路用于去除开关器件开关工作时产生的高频噪声。

一般情况下，输出滤波电路由电感和电容组成。

通过选取合适的电感和电容参数，可以实现对高频噪声的有效滤除，并保证输出电压的稳定。

此外，还可以通过设计共模电感、差模电感等结构来进一步提高滤波效果。

五、反馈控制回路设计反馈控制回路用于检测并调整输出电压，保证输出电压的稳定性。

常见的反馈控制回路结构有电压反馈和电流反馈两种。

电压反馈是通过采样电路和比较器将输出电压与设定值进行比较，从而产生反馈信号；电流反馈是通过采样电阻和比较器将输出电流与设定值进行比较，从而产生反馈信号。

反激式开关电源(flyback)是一种常见的电源结构，广泛应用于电子设备中。

它具有结构简单、成本低廉、效率高等优点，在消费电子、工业控制和通信设备等领域被广泛应用。

本文旨在介绍反激式开关电源环路设计的基础知识，包括工作原理、设计步骤和注意事项。

一、反激式开关电源的工作原理1.1 反激式开关电源的基本结构反激式开关电源由输入滤波器、整流桥、高频变压器、功率开关器件、输出整流滤波器、控制电路等组成。

其中，高频变压器是反激式开关电源的关键部件，通过变压器实现输入电压的隔离和变换，功率开关器件则控制变压器的工作状态，实现电源的调节和稳定输出。

1.2 反激式开关电源的工作原理反激式开关电源通过功率开关器件周期性地将输入电压斩波，将输入电能存储在变压器的磁场中，然后再将其转换为输出电压。

在工作周期的后半段，存储的能量释放到输出负载上，从而实现对输出电压的调节。

通过控制功率开关器件的导通时间和断态时间，可以实现对输出电压的调节和稳定。

二、反激式开关电源环路设计的基础知识2.1 反激式开关电源的设计步骤（1）确定电源的输入输出参数：包括输入电压范围、输出电压、输出电流、负载调整范围等；（2）选择功率开关器件和高频变压器：根据电源的输入输出参数和工作频率选择合适的功率开关器件和高频变压器；（3）设计反激式开关电源的控制电路：根据所选的功率开关器件和高频变压器设计相应的控制电路，包括PWM控制电路、电源启动电路等；（4）设计输入输出滤波器和保护电路：设计输入输出滤波器，保证电源的输入输出稳定和干净，设计过压、过流、过温等保护电路，保证电源的安全稳定工作。

2.2 反激式开关电源环路设计的注意事项（1）磁性元件的设计：高频变压器和输出感应元件的设计是整个反激式开关电源设计的关键，应合理设计磁芯、线圈匝数等参数，保证磁性元件承载功率、效率和体积的平衡；（2）功率开关器件的选择和驱动：应选择合适的功率开关器件，并设计合理的驱动电路，保证功率开关器件的可靠工作和转换效率；（3）控制电路的设计：应根据功率开关器件的工作特性和工作频率设计合适的PWM控制电路和反馈控制电路，保证电源的稳定可调；（4）输入输出滤波器和保护电路的设计：应合理设计输入输出滤波器和保护电路，保证电源的输入输出稳定和安全可靠。

浅谈关于开关电源环路设计电源环路设计的主要目标是：输入电压和负载变动范围内，达到要求输出精度，同时在任何情况下能够稳定工作。

当负载或输入电压变动时，快速响应和较小的过冲。

同时能够抑制低频脉动分量和开关波纹等。

P调节。

就是纯电阻，无C,L、这个调节就是个衰减，或者放大。

使得系统有静差。

开环增益加大，稳态误差减小，fc增大，过渡过程缩短，系统稳定性变差。

这种很少很少用。

改进一下，PI调节：消除静差。

打个比方，就是431的R和K之间放置2个元件，R 串C。

好处就是提供了负的相角，因为有了一个极点一个零点。

极点在0点。

使得相角裕量减小，所以，降低了系统的相对稳定性。

但是，穿越频率fc有所增加。

PD调节。

这个用的不多。

PD调节增大了系统的fc，导致系统响应加快，相位裕量增加。

高频时有噪声。

PID调节：低频时PI，高一点时PD调节。

低频时提升静态性能，高频时提升稳定性以及响应速度。

反激中用的比较多的是改进型PI，也就是type II和III那么，理想的传函应该是什么样子：1.低频段：高增益，以减小静差2.中频段：fc附近，-20db，确保足够的相位裕量3.高频段：增益要小，以降低开关谐波极其噪声的影响。

如果此时-40db下降都无法解决，那么，再加低通滤波器。

如果此时TYPE II不足以提供足够的相位裕量，那么，上TYPE III试试。

归纳一下：低频段：稳态性能中频段：动态性能高频段：抗干扰性能fc大，则快速性好，但是抗干扰能力下降中频段最能反映系统的稳定性，快速性P：粗调，就是直流增益。

太大了就有可能震荡。

就是当前值与给定值做差，放大I：细调，将误差进行积分D：预测功能，这个，可以看自控书。

D大，就会产生毛刺。

判断当前值变化趋势，及时作出调整，减小调节时间，提高响应速度。

有N多种调节办法，但是灵魂就是P肯定是有的，有没有I,D那就看实际情况了。

实际上我们开关电源中就是用的改进型PI，也就是type II,type II.很少很少用到D。

开关电源环路补偿设计开关电源环路补偿设计在开关电源设计中，环路补偿是至关重要的一步。

环路补偿的正确设计可以提高电源的稳定性和效率，从而提供更为可靠的电源输出。

本文将针对开关电源的环路补偿设计，从三个方面进行阐述。

一、开关电源环路补偿的基本原理开关电源的环路补偿，是指将部分输出信号回馈到反馈端口，通过正反馈作用来改善系统的动态性能。

补偿的目的，是使电源输出稳定，对负载的响应性更好。

为了实现这一目的，设计师需要对开关电源的基本原理有深入的理解。

在开关电源中，电容、电感和频率之间的相互影响是至关重要的。

通过合理的组合设计，可以提高电源的效率，降低功耗。

二、开关电源环路补偿的设计方法开关电源的环路补偿设计方法，需要综合考虑多个参数，如响应时间、阻尼稳定性、相位裕度等。

其中，响应时间涉及到电路响应时间、电源传输函数以及负载条件，需要根据具体情况予以调整。

阻尼稳定性关系到系统的稳态稳定性，需要根据不同负载条件下的阻尼因素予以设计。

相位裕度涉及到极点间距，可以通过更改反馈回路的增益稳定性来达到较好的效果。

三、开关电源环路补偿的优化在实际电路中，由于电容、电感和负载等多种因素的影响，开关电源环路补偿存在一定的误差。

优化环路补偿，可以通过在电路中加入滤波电容、降低负载电感等措施，提高电源输出的稳定性。

此外，在滤波器的选型方面，选择与系统肖特基二极管参数相匹配的器件，可以较为有效地降低噪声和振荡。

总之，开关电源环路补偿对整个系统的性能至关重要。

一个合理的补偿设计将使电源输出变得更加稳定、高效，具有更好的响应性。

因此，在开发开关电源的过程中，我们应该时刻保持对环路补偿原理的理解，并综合考虑各种参数和因素，以达到最优的设计效果。

开关电源控制环路设计前馈环节通常由开关电源的输出电压或电流采样电路、误差放大器、比较器和PWM控制器等组成。

开关电源的输出电压或电流通过采样电路进行实时的电压或电流测量，并将测量值与设定值进行比较。

误差放大器将比较器输出的误差信号放大，并输出给PWM控制器。

PWM控制器根据误差信号调整开关管的导通和关断时间，从而控制开关电源输出电压或电流的稳定性。

反馈环节通常由输出电压或电流反馈回路组成。

反馈回路通过将开关电源输出电压或电流与参考电压或电流进行比较，得到误差信号，并将其输入到前馈环节的比较器中。

反馈环节的作用是通过不断地调整开关电源的工作状态，使输出电压或电流尽量接近设定值，并抵消部分外部环境的影响，以保持开关电源稳定工作。

在开关电源控制环路设计中，需要考虑诸多因素。

首先是前馈环节的设计。

前馈环节应具有高增益和低失真的特性，能够准确地将输出电压或电流的变化转换为误差信号，并将其输出给PWM控制器。

其次是PWM控制器的设计。

PWM控制器应能够按照误差信号的大小和方向，精确地调整开关管的导通和关断时间，并保持开关电源输出电压或电流的稳定性。

最后是反馈环节的设计。

反馈环节应能够准确地测量开关电源的输出电压或电流，并将其输入到前馈环节的比较器中。

同时，反馈环节还需考虑去除噪声和抑制振荡等问题，以保证闭环控制系统的稳定性和可靠性。

开关电源控制环路设计的关键是要平衡稳定性和动态响应速度。

稳定性是指开关电源在加载变化或输入电压波动等情况下，输出电压或电流能够尽快地恢复到设定值并保持稳定；而动态响应速度则是指开关电源对设定值的变化能够迅速地响应。

在设计中，需要根据具体的应用需求和制约条件，选择合适的控制算法、滤波器和补偿网络等，以使开关电源控制环路设计达到较好的稳定性和动态响应速度。

总之，开关电源控制环路设计是一个复杂而关键的任务。

它需要综合考虑前馈环节、反馈环节以及稳定性和动态响应速度等因素，以实现开关电源的稳定性和输出精度要求。

开关电源的环路设计及仿真
开关电源的环路设计及仿真
1 基本理论
开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的，即由Vc 与锯齿
波信号比较，产生PWM波形。

根据锯齿波产生的方式不同，开关电源的控
制方式可分为电压型控制和电流型控制。

电压型的锯齿波是由芯片内部产生的，如LM5025，电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的，如UC3843。

对于反激电路，变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。

输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数
Tu，Tu=Vo/Vc。

一般按频率的变化来反映Tu的变化，即Bode 图。

电压型控制的电源其Tu是双极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：
电流型控制的电源其Tu是单极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：
各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。

本讲座的目的
是提供一种直观的环路设计手段。

2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu
2.1 开关平均模型
开关电源的各个量经平均处理后，去掉高频开关分量，得到低频(包括直流)的分量。

开关电源的建模、静态工作点、反馈设计、动态分析等都是基于平均
模型基础之上的。

若要得到实际的工作波形，应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。

将开关电路中的开关器件经平均化处理后，就得到开关平均模型，
用开关
平均模型可以搭建各种电路。

开关电源反馈环路设计开关电源是一种将输入直流电压转换为所需输出电压的电源装置。

为了实现稳定可靠的输出电压，开关电源需要建立反馈环路进行控制。

开关电源的反馈环路主要包括内部反馈环路和外部反馈环路。

内部反馈环路是指内部电路中的反馈控制电路，用于控制开关管的导通与截止，以维持输出电压的稳定。

外部反馈环路是指从输出端以回路的形式连接到内部反馈电路，通过比较输出电压与参考电压的差异，产生一个控制信号，用于调整开关电源的开关时间和频率，从而调整输出电压。

设计开关电源的反馈环路时，需要考虑以下几个方面：1.选择合适的参考电压源：参考电压源是反馈环路的重要组成部分，它提供一个稳定的参考电压，用作与输出电压进行比较的基准。

一般可选择使用稳压二极管、参考电压芯片或者精密电位器来作为参考电压源。

2.设计错误放大器：错误放大器是反馈环路中的核心部分，它承担着将输出电压与参考电压进行比较的作用，并产生一个误差信号。

常见的错误放大器有比较器、运算放大器等。

在设计选择错误放大器时，需要考虑它的稳定性、带宽、输入阻抗等因素。

3.设计补偿网络：由于开关电源在转换过程中存在一定的延迟、输出的电压下降等因素，所以需要通过补偿网络来减小这些不稳定因素对输出电压的影响。

常见的补偿网络包括零点补偿网络和极点补偿网络。

零点补偿网络主要通过增加相位较大的零点，来提高系统稳定性；极点补偿网络主要通过增加相位较小的极点，来提高系统的相位裕度。

4.设计输出滤波器：开关电源的输出电压通常包含一定的纹波，需要通过输出滤波器来降低纹波，使输出电压更加稳定。

输出滤波器一般由电感、电容和电阻组成，通过调整它们的数值和组合方式，可以实现对纹波的去除或衰减。

在进行开关电源反馈环路的设计时，还需要进行一系列的仿真和实验，包括频率响应的模拟分析、稳态和动态的性能测试等，以确保设计的反馈环路能够实现对输出电压的稳定控制。

总之，开关电源的反馈环路设计是一项复杂的任务，需要综合考虑电源的性能要求、稳定性要求和实际应用需求等因素，通过选择适当的参考电压源、设计错误放大器、补偿网络和输出滤波器等，来实现对输出电压的稳定控制。

开关电源环路设计及实例详解一、开关电源的基本原理开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源，其基本原理是通过开关管控制变压器的工作状态，从而实现对输入交流电进行变换、整流和稳压的过程。

开关电源具有输出功率大、效率高、体积小等优点，因此被广泛应用于各种电子设备中。

二、开关电源环路的组成1. 输入滤波器：用于滤除输入交流电中的高频噪声和杂波信号，保证后续环节能够正常工作。

2. 整流桥：将输入交流电转换为直流电信号。

3. 直流滤波器：用于滤除直流信号中的纹波和杂波信号，保证输出稳定。

4. 开关变换器：通过控制开关管的导通和截止状态来控制变压器的工作状态，从而实现对输入信号的变换。

5. 输出稳压器：用于对输出直流信号进行稳压处理，保证输出恒定。

三、开关电源环路设计步骤1. 确定输出功率和输出电压范围。

2. 选择合适的变压器。

3. 设计整流桥和直流滤波器。

4. 设计开关变换器，包括选择合适的开关管和控制电路。

5. 设计输出稳压器，包括选择合适的稳压芯片和反馈电路。

6. 进行整个电路的仿真和优化。

7. 进行实际电路的搭建和调试。

四、开关电源环路设计实例以12V/5A开关电源为例，进行具体设计。

1. 确定输出功率和输出电压范围：输出功率为60W，输出电压范围为11-13V。

2. 选择合适的变压器：根据需求选择带有多个二次侧绕组的变压器，其中一个二次侧用于提供控制信号，另一个二次侧用于提供输出信号。

通过计算得到变压比为1:2。

3. 设计整流桥和直流滤波器：采用全波整流桥结构，并选用大容量滤波电容进行直流滤波处理。

4. 设计开关变换器：选用MOS管作为开关管，并采用反激式结构进行设计。

控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）技术进行控制。

同时，在输入端加入输入滤波器进行滤波处理。

5. 设计输出稳压器：选用LM2576芯片进行稳压处理，通过反馈电路控制输出电压。

同时，加入输出滤波电容进行滤波处理。

6. 进行整个电路的仿真和优化：通过仿真软件进行各个环节的仿真和优化，保证整个电路的性能符合要求。

开关电源反馈设计除了磁元件设计以外，反馈网络设计也是开关电源了解最少、且非常麻烦的工作。

它涉及到模拟电子技术、控制理论、测量和计算技术等相关问题。

开关电源环路设计的目标是要在输入电压和负载变动范围内，达到要求的输出（电压或电流）精度，同时在任何情况下应稳定工作。

当负载或输入电压突变时，快速响应和较小的过冲。

同时能够抑制低频脉动分量和开关纹波等等。

为了较好地了解反馈设计方法，首先复习模拟电路中频率特性、负反馈和运算放大器基本知识，然后以正激变换器为例，讨论反馈补偿设计基本方法。

并介绍如何通过使用惠普网络分析仪HP3562A 测试开环响应，再根据测试特性设计校正网络和验证设计结果。

最后对仿真作相应介绍。

6.1 频率响应在电子电路中，不可避免存在电抗（电感和电容）元件，对于不同的频率，它们的阻抗随着频率变化而变化。

经过它们的电信号不仅发生幅值的变化，而且还发生相位改变。

我们把电路对不同频率正弦信号的输出与输入关系称为频率响应。

6.1.1 频率响应基本概念电路的输出与输入比称为传递函数或增益。

传递函数与频率的关系－即频率响应可以用下式表示600 )()(f f G Gϕ∠=&其中G (f )表示为传递函数的模（幅值）与频率的关系，称为幅频响应；而∠ϕ(f ) 表示输出信号与输入信号的相位差与频率的关系，称为相频响应。

典型的对数幅频响应如图6.1所示，图6.1(a)为幅频特性，它是画在以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴增益用20log G (f )表示。

图 6.1(b)为相频特性，同样以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴表示相角ϕ。

两者一起称为波特图。

在幅频特性上，有一个增益基本不变的频率区间，而当频率高于某一频率或低于某一频率，增益都会下降。

当高频增高时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为上限频率，或上限截止频率f H ，大于截止频率的区域称为高频区；在低频降低时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为下限频率，或下限截止频率f L ，低于下限截止频率的区域称为低频区；在高频截止频率与低频截止频率之间称为中频区。