电源设计中的这6个问题终于明白了！

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电源设计中的这6个问题终于明白了！

问题列表

01：开关电源的带宽是不是越高越好?

02：为什么PFC的带宽要控制在10~20Hz?

03：用UC3842~45控制的开关电源,其限流点为什么会随输入电压变化?

04：开关电源的带容性负载能力是不是越大越好?

05：在峰值电流控制中,当占空比大于0.5时,为什么要加斜波补偿电路?

06：两个完全稳定的开关电源,组成系统时,为什么会产生振荡?

问题一开关电源的带宽是不是越高越好?

1)：两种常见控制的开关电源框图

(1)：峰值电流型控制

(2)：电压型控制

2)：开关电源带宽的定义

(1)：开关电源的小信号传递函数方块图

(2)：开关电源的小信号闭环环增益

(3)：开关电源闭环小信号等效电路

(4)：开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数

开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否有解(或开关电源是否稳定)与其闭环环增益T ( s )有关.

开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否满足开关电源的动态规格与其闭环环增益T ( s )有关.

(5)：开关电源的稳定性判椐及开关电源的带宽概念

-- 用环增益的Bode图，可判断开关电源的稳定性。

-- 环增益的带宽：其幅频特性与零dB相交处的频率；fc

-- 环增益的相位裕量：

-- 环增益的增益裕量：环增益相位为-180°处的环增益幅度的分贝绝对值。

稳定性条件：，增益裕量≥6分贝。

上述条件须在所有稳态工作点上及全部环境温度下均满足，系统才是稳定的。

开关电源的带宽就是其闭环环增益的带宽。

3)：开关电源带宽的高低对开关电源的影响

(1)：从开关电源的稳定性看,带宽越低,电源越容易稳定：

--- 对PCB布板要求降低；

--- 补偿电路的抗高频干扰能力增强；

--- 相位裕量增加；

(2)：从开关电源的动态指标看,带宽越高,电源的动态性能越好；

--- 可提高对输入低频纹波的抑制能力；

--- 可提高对输出负载电流变化的抑制能力；

(3)：在满足同样动态指标时,带宽高的开关电源,会有更高的功率密度和更低的成本：

--- 带宽越高,其低频处的闭环音频隔离度就越小,输出端的低频率纹波就越小,在输出纹波一样时,输入端的滤波电容就越小；同样的道理在负载跳变所引起的输出电压变化一样时,输出端的滤波电容就越小；

(4)：提升开关电源的带宽,对开关电源的性价比非常有利,但受许多因素牵制:

--- 开发人员的水平；

--- 合理的总体方案；

--- PCB布板要求的提高等等．

４)：开关电源的带宽是不是越高越好？

答案：是

因为只有不断提高开关电源的带宽，才能保证你的开关电源产品更有竞争力，才能更好地满足客户的要求．

问题二为什么PFC的带宽要控制在10~20Hz?

1)：传统PFC的实现框图

通过一个乘法器和电压环实现输出的稳压，正弦的电流环基准，及输入的前馈；用快速的电流环实现输入电流的正弦和单位功率因数。

2)：实现与输入电压同相且失真很小的输入正弦电流之要求

(1)：电流环的基准必须与输入电压同相且失真很小：

(2)：电流环的速度足够快或者该环环增益的带宽足够高。

3)：为什么PFC的带宽要控制在10~20Hz?

(1)：因为电流环的基准为：

其中：

为输入电压波形的取样信号：

为输入电压有效值的取样信号：

当输入电压波形无失真时，基准电流的波形在B为净直流时，为理想的正弦。而现在的B是电压环的输出，它有一个直流分量和一个两倍网频分量。两倍网频分量产生的原因见下面的分析：

（1）电路原理图（稳态）

（2）分析假定

      （1）：忽略输出电压的纹波；Vo（t）≈Vo

      （2）：输入电流为正弦波，与输入电压同相；

      （3）：定频控制，且最大占空比可等于1；

      （4）：功率级元器件均理想；

      （5）：电感电流为CCM。

      （3）：稳态电路波形

（3）：稳态电路波形

(2)：所以电流环的基准可写成：

所以基准中的第二项会带来失真，为减小该失真，唯一的办法就是将vcm减小到很小，使第二项的影响可忽略。这就要求电压环的补偿电路对输出电压的2倍网频分量有非常大的衰减。经分析可知，为实现3%左右的输入正弦电流失真度，电压环的带宽一般须控制在10~20Hz。

PFC的电压环设计Bode图见如下：

问题三用UC3842~45控制的开关电源,其限流点为什么会随输入电压变化?

1)：峰值电流型控制的调制器方程

(1)：无外部补偿斜波（占空比小于0.5）：

(2)：限流时调制器的稳态方程：

2)：正激变换器的限流点

从方程可知，限流点与输入电压有关。

3)：反激变换器的限流点

从方程可知，限流点与输入电压有关。

4)：可见用UC3842~45控制的开关电源,其限流点会随输入电压变化，在有外部斜波补偿时，用同样的分析，也有同样的结果。

5)：采用UC3842~45控制的开关电源,其限流点的调试通常比较费时，往往要加一个输入电压前馈来尽量减小限流点与输入电压的影响。大家要先进行分析，再设计参数，然后再去调试，这样可以减少很多时间。

6)：下面是对反激变换器的限流点分析．

过流保护直接采用UC3844的峰值限流功能来实现，当超过限流点时，比较器会限制占空比，从而减小输出电压，当负载继续增加时，输出电压会变得更低，因辅助电源Vcc-p是从变压器的辅助绕组中获得的，所以辅助电源的电压也会变低，在过流点后的某一负载范围内，如辅助电源仍在IC的关断电压之上，则开关电源仍将工作，但按恒峰值电流方式工作，当负载再继续增加后，辅助电源的电压就不足以维持IC的工作，而会将IC关断。IC的关断导致DC/DC的关断，负载电流下降，但由于IC的电源电压有一个很大的回差，所以要在一定时间后，才能重新启动开关电源，如过载故障还在，则会再一次关断开关电源，形成一种间隙的保护方式，如过载故障已经消失，则将重新开启电源。但因峰值电流限流方式与输入电压的大小很有关系，输入低限的限流点比输入高限的限流点要低，为保证限流点的尽可能一致，图中在电流采样中加了一个输入电压的前馈。

      1)：未加输入电压前馈时的过流点与输入电压的关系

      2)：加输入电压前馈后的过流点与输入电压的关系

      3)：加输入电压前馈后的参数设计

方程中除了Rs、R5、R6未知外，其它参数都是已知的。所以三个方程应当可以求得一组近似解。而目前是在实验中凑参数。来调节限流点，这往往会花费开发人员大量的时间，而且从方程可知，对于不同的输入电压范围，不同的主电路参数，这组参数是不同的，因而不能随便套用，作这个实验，将使开发人员花费很多时间。

问题四开关电源的带容性负载能力是不是越大越好?

1)：开关电源的带容性负载能力

开关电源能够带的最大负载电容，称为开关电源的容性负载能力。

2)：开关电源容性负载能力的大小给用户有什么好处？

对两家公司的开关电源进行比较时：

（1）：在其带宽相同时，带容性负载能力越强的开关电源，用户使用时的动态负载范围会更宽；

（2）：当带宽不相同时，带宽低的开关电源，即使具有更大的带容性负载能力，在带宽高的开关电源能满足的动态负载场合，也应尽量避免选择前者，原因是它让用户使用更多的电容，占据更多的空间；

（3）：如能够将开关电源的带宽提高许多，而降低其带容性负载的能力，对用户是好事，对电源公司且会增加开发难度。一个电源企业要想办法提高开关电源的带宽让用户去满足快速的动态负载，而不是想办法让用户用更多的电容去满足快速的动态负载。

答案：开关电源的带容性负载能力并不是越大越好。只有在带宽相同时，才是越大越好，当带宽不同时，这个能力不能比较。

或许得在电源规格中引入一个带宽与容性负载能力乘积的指标，才能对各家企业的开关电源进行这方面的比较。

问题五在峰值电流控制中,当占空比大于0.5时,为什么要加斜波补偿电路?

1)：从调制器的波形看子谐波振荡的现象（CCM）

D>0.5，有不稳定性问题---因外部时钟的原因，这种不稳定性表现为子谐波振荡

2)：从等效功率级的小信号传递函数看子谐波振荡的原因（用Buck变换器作为例子 --CCM）

从Qp可知,当无外部斜波补偿(mc=1）时,对应于占空比大于0.5的工作点,CCM下的等效功率级会产生子谐波振荡,所以必须外加一个一定含量的外部斜波补偿.

3)：为了避免子谐波振荡，必须保证Qp＞0，所以在占空比大于0.5时，要加一个外部斜波补偿。

4)：所有功率变换器在CCM下的峰值电流型控制中，其等效功率级的小信号传递函数中，都有下面的一项

所以：在峰值电流控制中,当占空比大于0.5时,都存在子谐波振荡，只有加一个合适的斜波补偿电路才能克服该子谐波振荡。

5)：后面给出几种外部斜波补偿的接入电路

1)：外部斜波接入电路#1的原理图

在Pin 3脚接入的斜波是一个交流分量，如图。

2)：外部斜波接入电路#2的原理图

在Pin 3脚接入的斜波是一个直流分量，如图。

3)：外部斜波接入电路#3的原理图

在Pin 3脚接入的斜波是一个直流分量，如图红线波形。

问题六两个完全稳定的开关电源,组成系统时,为什么会产生振荡?

1)：两个开关电源级联组成的系统作为例子

从上面的小信号等效电路，可得该级联系统的小信号方程：

由于开关电源的闭环输入阻抗在低频段为负值，所以当两个开关电源的动态小信号不匹配时，上述小信号方程会有右半平面的极点，即其组成的系统会出现振荡：

2)：上述分析表明

两个完全稳定的开关电源,组成系统时,也可能产生振荡?同样的方法可用来分析其它的开关电源系统产生稳定性问题的原因。

3)：两个开关电源级联组成的系统稳定的条件：

4)：当满足：

对两个开关电源级联组成的系统的动态影响最小。

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