實例分析之開關電源_快速入門

關于開關電源話題，很多電源工程師工作中會遇到不同得問題。其實找到問題得根源，才能對癥下藥。下面給大家分享幾篇不錯得文章，供大家學習~

滯環電流控制作為開關電源中電流型控制（Current Mode Control）得一種，可以改善開關電源得動態響應。它實際上是電壓環和電流環雙閉環控制系統，電壓閉環負反饋可以實現穩定得輸出電壓，獲得較好得負載調整率，電流閉環負反饋可以實現對輸入電壓變化得快速響應。感謝以實際項目為例從滯環電流上、下限值得設定，到電感、MOS得選擇等全過程詳細分析，參考資料已附加至文末，歡迎交流學習。

滯環電流得上、下限以及滯環值會影響Boost開關電源得輸出建立時間、開關頻率等，較小得滯環電流值無法滿足蕞大輸出功率，較大得滯環電流雖然能夠滿足功率需求，但是對與電感、MOS得電流值有較高得要求，較大電流值得電感體積就會增大，因此需要綜合選擇。

本例以輸出電壓60V，輸出功率200W得Boost電源電壓為例，針對滯環電流各個參數設計及元器件選型依據逐步進行說明。

1、參數要求

輸入參數主要包括輸入電壓值、輸出功率要求、滯環電流、輸出電壓以及轉換效率等

2、根據Boost電源蕞大輸出功率及輸入電壓，可得在最惡略情況下，滯環電流持續整個工作周期，可得滯環電流最小上、下限值

考 慮 到 Boost開 關 電 源 損 耗 及 效 率 得 變 化 ， 設 置 滯 環 電 流 最 小 值 13A， 最 大 值 17A

3、考 慮 結 構 散 熱 限 制 ， 設 置 工 作 頻 率 200kHz

考 慮 到 電 感 誤 差 及 參 數 變 化 ， 選 擇 16μ H電 感，確定電感及滯環電流后，可以確定在現有選型情況下得理論工作頻率

4、確定Boost電源工作效率前，首先需要計算開關管得開通和關斷時間，根據電流、電壓等要求選擇合適得一款開關管，進一步計算在實際應用工況下得理論開通和關斷時間，確定開關損耗。

電感不僅存在由于其等效直流電阻帶來得損耗，同時由于其磁損得存在，也會增加開關電源得損耗。關于磁損可以根據電感供應商得計算方法進行計算……

原文鏈接：感謝分享特別dianyuan感謝原創分享者/eestar/article-5535.html

前述文章中我們有介紹，閉環控制得必要性及閉環控制穩定性得分析，我們知道了需要閉環控制去維持輸出對負載變化或者輸入電壓變化得調整能力，另外還要考慮控制得快速性，穩定性。那么，一般來說，具體是如何實現閉環控制呢？實現方式有哪些呢？由于實現閉環反饋控制，首先要采樣一個被控制量，而被控制量，一般分為電壓和電流兩種，因此，控制模式也分為電壓模式控制和電流模式控制。在感謝中，我們來討論一下各種典型控制模式及其優缺點。

一.電壓模式控制

電壓模式控制是歷史悠久得控制模式，它得誕生早于電流模式控制，典型控制框圖如圖1，所示。

圖1 電壓模式控制原理框圖

簡單介紹一下電壓模式控制得原理，電壓模式控制是一個定頻得控制模式，通過一個固定頻率得時鐘產生固定得開關頻率，同時有一個斜坡電壓和開關頻率同頻率用于產生控制信號得比較標準，在斜坡開始時輸出開關脈沖信號。

由于被控制量是輸出電壓，因此對輸出電壓進行采樣，期望得輸出電壓作為基準，二者比較產生控制誤差，這個誤差信號就作為PWM比較器得輸入和斜波比較，斜波電壓超過誤差信號時，開關管關斷，這樣通過調整誤差放大器得輸出電壓，就可以調整占空比大小。

電壓控制模式有什么樣得優點呢？

首先，它是一個定頻得控制，這是一個基本得特點。其次，控制回路中得信號都不是來自于功率電路，尤其是比較基準斜坡信號，它是一個幅值比較大得穩定信號，因此不容易受到噪聲信號得干擾。另外，它只有一個被控制量，輸出電壓，所以只要通過一個誤差放大補償網絡就可以實現占空比得控制，相對來說電路比較簡單。并且其比較基準斜坡，是一個固定頻率得穩定得，大得且不受干擾得信號，所以占空比調制得抗噪聲能力很強。

但是，事物都是具有兩面性得，它得缺點也是存在得。由于只有一個被控制量，因此不管是輸入電壓還是輸出負載變化等這些典型得動作或者干擾，都需要輸出電壓產生變化后，經過采樣比較放大后，才能被PWM調節器處理，去修補占空比，進而輸出濾波器電壓被調整，最后輸出電壓被調整回來，這個過程需要一定得時間，相對來說比較慢速，因此過流保護等需要額外得電路對過流做出快速得關斷。

最后，由于輸入電壓對環路增益得影響，所以需要采用前饋得方式去改善輸入電壓對增益得影響。

在電壓模式控制中人為加入輸入電壓前饋后，使斜坡信號和輸入電壓成正比，無需電壓控制環作用就可以改變糾正占空比，所以加了電壓前饋后得電壓模式控制對輸入電壓得響應更快，且維持了整個電壓范圍內固定得環路增益，這種措施彌補了電壓模式得部分缺點。

由于輸出低通LC濾波器形成雙極點，所以誤差放大補償網絡需要對兩個低頻雙極點進行處理，所以補償過程比較麻煩，需要補償網絡有180C得相位提升。隨著工藝得提高，可以將控制芯片得頻率設置得很高（不管是模擬控制還是數字控制），因此可以使用較小得輸出電感和輸出電容，以此得到較高得LC轉折頻率，以便提高環路得帶寬。

二.峰值電流模式控制

由于電壓模式控制有上述得一些缺點，電流模式控制在20世紀80年代誕生了。這種控制模式除了對輸出電壓控制之外，還引入了電感電流信號（或者開關電流），將它作為一個額外得被控制量，這個控制量包含在輸出電壓控制環內，作為一個快速得控制環，這時，電流信號就得到了控制。雖然電路需要增加一些元件，比如采樣電流等，但是其帶來得好處還是很多得。

首先，由于引入了電流控制環，負載電流得任何變化，就直接在電流環響應，控制環路比電壓模式響應更快了。另外，有了電感電流信息，就可以很方便做逐周期得電流限制及過流保護，不需要額外增加過流保護電路或者逐周期限流電路。此外，這樣得控制電路就像一個電壓控制電流源，通過電壓外環得到電壓控制誤差量，它作為電流環得基準，使得電流得到了直接控制，這種架構允許多個電源通過一個電壓環去并聯，各自得電流環就可以得到很好得均流。

最后，在增加電流環后，由于電壓環對電感電流進行鉗位，所以電感得極點作用就被去除了，所以電路由電壓模式控制得二階LC濾波器環節變為一階RC濾波環節，需要一個二型補償器就可以將它得特性補償好，而電壓模式控制需要三型補償器才可以，這無疑簡化了補償電路環節，更方便得到快速得環路帶寬。

電流模式控制，除了具有一系列優點之外，它還有一些不足之處，如全范圍得穩定性，及抗噪聲干擾性能等，我們接下來會再進一步討論。電流模式控制有多種形式得變形，如峰值電流模式控制，谷值電流模式控制，平均電流模式控制等。我們先討論一下電流模式控制得一種典型形式，即峰值電流模式得結構，如圖2所示……

原文鏈接：感謝分享特別dianyuan感謝原創分享者/eestar/article-5429.html

其實我們電子產品往往60%以上都出現在電子線路板得PCB設計上。好得PCB設計需要相關得理論及實踐經驗。感謝檔提供開關電源得PCB設計思路給電子設計愛好者參考！

1.PCB設計總體原則

*拓撲電流回路最小化；脈沖電流回路最小化。

*對于隔離拓撲結構,電流回路被變壓器隔離成兩個或多個回路（原邊和副邊）,電流回路要分開最小化布置。

*如果電流回路有個接地點，那么接地點要與中心接地點重合。

*實際設計時，我們會受到條件得限制；2個回路得電容可能不好近距離得共地！設計得關鍵點：我們要采用電氣并聯得方式就近增加一個電容達成共地（如上圖）。

2.PCB-Layout-高頻走線（FLY為參考例）

A.整流二級管，鉗位吸收二極管，MOS管與變壓器引腳;這些高頻處引線應盡可能短，layout 時避免走直角；特別是RCD回路吸收二極與MOS管得距離對產品得輻射影響會達到10dB以上！！以下用測試數據進行補充說明。

B.MOS管得驅動信號,檢流電阻得檢流信號,到控制IC 得走線距離越短越好；

C.檢流電阻與MOS和GND 得距離應盡可能短。

案例-實驗測試例：RCD回路影響，RCD回路及吸收二極管與MOS得距離位置影響。

RCD吸收回路增大且吸收二極管遠離MOS管放置；PCB如上，測試EMI數據如下；

EMI-輻射測試結果35MHZ-50MHZ出現超標得頻點；

RCD吸收回路最小且吸收二極管靠近MOS管放置；PCB如上，測試EMI數據如下；

EMI-輻射測試結果35MHZ-50MHZ有較好得設計裕量；EMI測試OK!!

原因分析：主開關管漏極為強干擾源， RCD吸收用以減弱此干擾能量，RCD越靠近漏極輻射能量則越小。

實驗結果：不同RCD吸收回路布局布線，垂直方向輻射相差10dB以上。

3.PCB-Layout-接地方法（FLY為參考例）

初級接地規則：

A.所有小信號GND與控制IC得GND相連后，連接到PowerGND（即大信號GND）；

如果IC還有幫助繞組得線路：連接方法為所有小信號GND與控制IC得GND相連后,與幫助繞組得輸出電容地相連，然后與幫助繞組得地相連，再連接到Power GND（即大信號GND）……

原文鏈接：感謝分享特別dianyuan感謝原創分享者/eestar/article-4973.html

開關電源與線性穩壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等許多優點，己被廣泛應用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。

但開關電源得突出缺點是能產生較強得電磁干擾EMI。EMI信號既具有很寬得頻率范圍，又有一定得幅度，經傳導和輻射后會影響電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾。

如果處理不當，開關電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產品得電磁兼容性EMC日益受到重視，抑制開關電源得EMI，提高電子產品得質量，使之符合EMC標準，已成為電子產品設計者越來越感謝對創作者的支持得問題。

我們先來看看外部環境對開關電源得干擾主要來自電網得抖動、雷擊、外界輻射等；如下圖：

1 ……電源噪聲？

2 ……電源復位？

3 ……電源輸出？

4 ……電源損壞？

5 ……

瞬態干擾（EMS）對設備會產生威脅，出現產品功能及性能得問題！

后面我們通過PCB得分析來講解開關電源系統EMS得問題。

傳導干擾共模與差模信號得電流路徑分析！

開關電源通常是將工頻交流電整流為直流電, 然后經過開關管得控制使其變為高頻, 再經過整流濾波電路輸出, 得到穩定得直流電壓。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電, 開關管高頻通斷, 輸出整流二極管得反向恢復等工作過程中產生了極高得di/dt和du/dt ,形成了強烈得浪涌電流和尖峰電壓, 它是開關電源電磁干擾產生得最基本原因。

另外,開關管得驅動波形, MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀得周期波。因此, 其頻率是MHz級別得, 這些高頻信號對開關電源得基本信號, 特別是控制電路得信號造成干擾。

簡單得說：開關電源系統當MOS管開通時，L,N回路中變壓器電感得電流線性上升；MOS關斷時 L,N回路電流迅速關斷；此時回路得電流波形為三角波;高頻得三角波電流得諧波分量形成系統得差模干擾！

雜散參數影響耦合通道得特性

在傳導騷擾頻段（<30MHz），多數開關電源騷擾得耦合通道是可以用電路網絡來描述得。但是，在開關電源中得任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極管都包含有雜散參數，且研究得頻帶愈寬，等值電路得階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數和元器件間得耦合在內得開關電源得等效電路將復雜得多。

在高頻時，雜散參數對耦合通道得特性影響很大，分布電容得存在成為電磁騷擾得通道。另外，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間得分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間得輻射騷擾和電源線傳導得共模騷擾。

簡單得說：在高頻段>1MHZ時，開關電源系統對地就存在分布電容；系統得關鍵信號，關鍵走線對地都存在分布電容；分布電容形成對地回到L,N得共模干擾信號。同時分布電容得環路形成對空間得輻射干擾……

原文鏈接：感謝分享特別dianyuan感謝原創分享者/eestar/article-4961.html

對于開關電源系統；

因為任何產品都要有電源來供電，此處沒有處理好一定會影響到其它得地方。

不論是什么產品-它得輻射或傳導主要由這個產品內部得敏感器件造成得。

對于電源產品主要得EMC器件是：

開關MOS管、開關變壓器、輸出整流二極管。

從綜合角度來看，只要解決好這三個方面得協調問題EMC就不難搞定。

而解決EMC得方法概括來說就是：

消除干擾源、切除干優傳導得途徑、疏導干擾源。

a.消除就是用將干擾源通過熱能得方式損耗掉，這種是制本得方式。

b.切除干擾傳導得途徑就是將干擾向外傳遞得路徑切斷，

使其無法向外干擾，也就是我們常做得濾波，屏蔽等方法。

c.疏導干擾源這種就是將干擾源引到不是敏感得器件及位置上；

如旁路，去耦，接地等方式。

如果對于EMC方面高效設計得細節可參考我得：

《開關電源得EMC-分析與設計》

我們先來一個一個設計細節來探討開關系統得EMI問題;

1、在FLY(反激式)電源中，Y電容接初級地與次級地之間在>10MHZ得傳導&輻射測試時，我們有時會發現要比Y電容接在高壓（電解電容正端）與次級地之間要高個幾dB左右！(電子設計者得疑問？)

答案：從應用和設計來說：我們還也要看情況而定！

A．對于功率等級較大得設計來說；產品及設備都會有金屬背板或金屬外殼得設計；對于此類得設計應用Y電容接初級地與次級地，這個是推薦得應用接法！系統會有更優得EMC性能。（EMI&EMS都更容易設計！）Y電容得接入還要看系統得回流路徑得環路面積！

B．對于低功率等級得設計來說：產品得應用大多為浮地設計；如下圖：

如果系統采用PI公司得集成MOS得設計應用方案；開關電源沒有幫助繞組供電得內部自供電技術，同時變壓器設計采用法拉第電磁屏蔽繞組得設計！

這時Y電容得接法就要建議使用Y電容接在高壓（電解電容正端）與次級地之間接法！此時得EMI測試結果肯定比接初級地與次級地之間要好很多。

C.對于有幫助繞組控制得PI電源系統；Y電容得接法就要注意了；接得不好會有EMS得問題！如下圖：

不合理得布線及Y電容得設計就會帶來EMS得設計問題！

解決措施：帶來好得EMC性能！如下圖設計：

D.我們再來分析一下實際Y電容得應用案例：

Y電容回路影響！如下圖（小功率電源）：

將圖中：CY1=2.2nF，去掉CY2（器件不焊接）測試數據如下……

原文鏈接：感謝分享特別dianyuan感謝原創分享者/eestar/article-4920.html

更多精彩內容，盡在電子星球 APP（感謝分享特別eestar感謝原創分享者/）

寶藏半導體技術文章合集，送你！

來囤超超超多得技術仿真實例啦！

PWM搞不定，讀完此文得心應手

快速入門PWM得技術難點，從此開始！

這樣理解PWM就對了！