電源設計中的這6個問題終于明白了！

問題列表

01：開關電源的帶寬是不是越高越好?

02：為什么PFC的帶寬要控制在10~20Hz?

03：用UC3842~45控制的開關電源,其限流點為什么會隨輸入電壓變化?

04：開關電源的帶容性負載能力是不是越大越好?

05：在峰值電流控制中,當占空比大于0.5時,為什么要加斜波補償電路?

06：兩個完全穩定的開關電源,組成系統時,為什么會產生振蕩?

問題一開關電源的帶寬是不是越高越好?

1)：兩種常見控制的開關電源框圖

(1)：峰值電流型控制

(2)：電壓型控制

2)：開關電源帶寬的定義

(1)：開關電源的小信號傳遞函數方塊圖

(2)：開關電源的小信號閉環環增益

(3)：開關電源閉環小信號等效電路

(4)：開關電源閉環小信號等效電路中的動態參數

開關電源閉環小信號等效電路中的動態參數是否有解(或開關電源是否穩定)與其閉環環增益T ( s )有關.

開關電源閉環小信號等效電路中的動態參數是否滿足開關電源的動態規格與其閉環環增益T ( s )有關.

(5)：開關電源的穩定性判椐及開關電源的帶寬概念

-- 用環增益的Bode圖，可判斷開關電源的穩定性。

-- 環增益的帶寬：其幅頻特性與零dB相交處的頻率；fc

-- 環增益的相位裕量：

-- 環增益的增益裕量：環增益相位為-180°處的環增益幅度的分貝絕對值。

穩定性條件：，增益裕量≥6分貝。

上述條件須在所有穩態工作點上及全部環境溫度下均滿足，系統才是穩定的。

開關電源的帶寬就是其閉環環增益的帶寬。

3)：開關電源帶寬的高低對開關電源的影響

(1)：從開關電源的穩定性看,帶寬越低,電源越容易穩定：

--- 對PCB布板要求降低；

--- 補償電路的抗高頻干擾能力增強；

--- 相位裕量增加；

(2)：從開關電源的動態指標看,帶寬越高,電源的動態性能越好；

--- 可提高對輸入低頻紋波的抑制能力；

--- 可提高對輸出負載電流變化的抑制能力；

(3)：在滿足同樣動態指標時,帶寬高的開關電源,會有更高的功率密度和更低的成本：

--- 帶寬越高,其低頻處的閉環音頻隔離度就越小,輸出端的低頻率紋波就越小,在輸出紋波一樣時,輸入端的濾波電容就越小；同樣的道理在負載跳變所引起的輸出電壓變化一樣時,輸出端的濾波電容就越小；

(4)：提升開關電源的帶寬,對開關電源的性價比非常有利,但受許多因素牽制:

--- 開發人員的水平；

--- 合理的總體方案；

--- PCB布板要求的提高等等．

４)：開關電源的帶寬是不是越高越好？

答案：是

因為只有不斷提高開關電源的帶寬，才能保證你的開關電源產品更有競爭力，才能更好地滿足客戶的要求．

問題二為什么PFC的帶寬要控制在10~20Hz?

1)：傳統PFC的實現框圖

通過一個乘法器和電壓環實現輸出的穩壓，正弦的電流環基準，及輸入的前饋；用快速的電流環實現輸入電流的正弦和單位功率因數。

2)：實現與輸入電壓同相且失真很小的輸入正弦電流之要求

(1)：電流環的基準必須與輸入電壓同相且失真很小：

(2)：電流環的速度足夠快或者該環環增益的帶寬足夠高。

3)：為什么PFC的帶寬要控制在10~20Hz?

(1)：因為電流環的基準為：

其中：

為輸入電壓波形的取樣信號：

為輸入電壓有效值的取樣信號：

當輸入電壓波形無失真時，基準電流的波形在B為凈直流時，為理想的正弦。而現在的B是電壓環的輸出，它有一個直流分量和一個兩倍網頻分量。兩倍網頻分量產生的原因見下面的分析：

（1）電路原理圖（穩態）

（2）分析假定

（1）：忽略輸出電壓的紋波；Vo（t）≈Vo

（2）：輸入電流為正弦波，與輸入電壓同相；

（3）：定頻控制，且最大占空比可等于1；

（4）：功率級元器件均理想；

（5）：電感電流為CCM。

（3）：穩態電路波形

（3）：穩態電路波形

(2)：所以電流環的基準可寫成：

所以基準中的第二項會帶來失真，為減小該失真，唯一的辦法就是將vcm減小到很小，使第二項的影響可忽略。這就要求電壓環的補償電路對輸出電壓的2倍網頻分量有非常大的衰減。經分析可知，為實現3%左右的輸入正弦電流失真度，電壓環的帶寬一般須控制在10~20Hz。

PFC的電壓環設計Bode圖見如下：

問題三用UC3842~45控制的開關電源,其限流點為什么會隨輸入電壓變化?

1)：峰值電流型控制的調制器方程

(1)：無外部補償斜波（占空比小于0.5）：

(2)：限流時調制器的穩態方程：

2)：正激變換器的限流點

從方程可知，限流點與輸入電壓有關。

3)：反激變換器的限流點

從方程可知，限流點與輸入電壓有關。

4)：可見用UC3842~45控制的開關電源,其限流點會隨輸入電壓變化，在有外部斜波補償時，用同樣的分析，也有同樣的結果。

5)：采用UC3842~45控制的開關電源,其限流點的調試通常比較費時，往往要加一個輸入電壓前饋來盡量減小限流點與輸入電壓的影響。大家要先進行分析，再設計參數，然后再去調試，這樣可以減少很多時間。

6)：下面是對反激變換器的限流點分析．

過流保護直接采用UC3844的峰值限流功能來實現，當超過限流點時，比較器會限制占空比，從而減小輸出電壓，當負載繼續增加時，輸出電壓會變得更低，因輔助電源Vcc-p是從變壓器的輔助繞組中獲得的，所以輔助電源的電壓也會變低，在過流點后的某一負載范圍內，如輔助電源仍在IC的關斷電壓之上，則開關電源仍將工作，但按恒峰值電流方式工作，當負載再繼續增加后，輔助電源的電壓就不足以維持IC的工作，而會將IC關斷。IC的關斷導致DC/DC的關斷，負載電流下降，但由于IC的電源電壓有一個很大的回差，所以要在一定時間后，才能重新啟動開關電源，如過載故障還在，則會再一次關斷開關電源，形成一種間隙的保護方式，如過載故障已經消失，則將重新開啟電源。但因峰值電流限流方式與輸入電壓的大小很有關系，輸入低限的限流點比輸入高限的限流點要低，為保證限流點的盡可能一致，圖中在電流采樣中加了一個輸入電壓的前饋。

1)：未加輸入電壓前饋時的過流點與輸入電壓的關系

2)：加輸入電壓前饋后的過流點與輸入電壓的關系

3)：加輸入電壓前饋后的參數設計

方程中除了Rs、R5、R6未知外，其它參數都是已知的。所以三個方程應當可以求得一組近似解。而目前是在實驗中湊參數。來調節限流點，這往往會花費開發人員大量的時間，而且從方程可知，對于不同的輸入電壓范圍，不同的主電路參數，這組參數是不同的，因而不能隨便套用，做這個實驗，將使開發人員花費很多時間。

問題四開關電源的帶容性負載能力是不是越大越好?

1)：開關電源的帶容性負載能力

開關電源能夠帶的最大負載電容，稱為開關電源的容性負載能力。

2)：開關電源容性負載能力的大小給用戶有什么好處？

對兩家公司的開關電源進行比較時：

（1）：在其帶寬相同時，帶容性負載能力越強的開關電源，用戶使用時的動態負載范圍會更寬；

（2）：當帶寬不相同時，帶寬低的開關電源，即使具有更大的帶容性負載能力，在帶寬高的開關電源能滿足的動態負載場合，也應盡量避免選擇前者，原因是它讓用戶使用更多的電容，占據更多的空間；

（3）：如能夠將開關電源的帶寬提高許多，而降低其帶容性負載的能力，對用戶是好事，對電源公司且會增加開發難度。一個電源企業要想辦法提高開關電源的帶寬讓用戶去滿足快速的動態負載，而不是想辦法讓用戶用更多的電容去滿足快速的動態負載。

答案：開關電源的帶容性負載能力并不是越大越好。只有在帶寬相同時，才是越大越好，當帶寬不同時，這個能力不能比較。

或許得在電源規格中引入一個帶寬與容性負載能力乘積的指標，才能對各家企業的開關電源進行這方面的比較。

問題五在峰值電流控制中,當占空比大于0.5時,為什么要加斜波補償電路?

1)：從調制器的波形看子諧波振蕩的現象（CCM）

D>0.5，有不穩定性問題---因外部時鐘的原因，這種不穩定性表現為子諧波振蕩

2)：從等效功率級的小信號傳遞函數看子諧波振蕩的原因（用Buck變換器作為例子 --CCM）

從Qp可知,當無外部斜波補償(mc=1）時,對應于占空比大于0.5的工作點,CCM下的等效功率級會產生子諧波振蕩,所以必須外加一個一定含量的外部斜波補償.

3)：為了避免子諧波振蕩，必須保證Qp＞0，所以在占空比大于0.5時，要加一個外部斜波補償。

4)：所有功率變換器在CCM下的峰值電流型控制中，其等效功率級的小信號傳遞函數中，都有下面的一項

所以：在峰值電流控制中,當占空比大于0.5時,都存在子諧波振蕩，只有加一個合適的斜波補償電路才能克服該子諧波振蕩。

5)：后面給出幾種外部斜波補償的接入電路

1)：外部斜波接入電路#1的原理圖

在Pin 3腳接入的斜波是一個交流分量，如圖。

2)：外部斜波接入電路#2的原理圖

在Pin 3腳接入的斜波是一個直流分量，如圖。

3)：外部斜波接入電路#3的原理圖

在Pin 3腳接入的斜波是一個直流分量，如圖紅線波形。

問題六兩個完全穩定的開關電源,組成系統時,為什么會產生振蕩?

1)：兩個開關電源級聯組成的系統作為例子

從上面的小信號等效電路，可得該級聯系統的小信號方程：

由于開關電源的閉環輸入阻抗在低頻段為負值，所以當兩個開關電源的動態小信號不匹配時，上述小信號方程會有右半平面的極點，即其組成的系統會出現振蕩：

2)：上述分析表明

兩個完全穩定的開關電源,組成系統時,也可能產生振蕩?同樣的方法可用來分析其它的開關電源系統產生穩定性問題的原因。

3)：兩個開關電源級聯組成的系統穩定的條件：

4)：當滿足：

對兩個開關電源級聯組成的系統的動態影響最小。