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電源設(shè)計(jì)中的這6個(gè)問題終于明白了！
問題列表
01：開關(guān)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(guān)電源,其限流點(diǎn)為什么會(huì)隨輸入電壓變化?
04：開關(guān)電源的帶容性負(fù)載能力是不是越大越好?
05：在峰值電流控制中,當(dāng)占空比大于0.5時(shí),為什么要加斜波補(bǔ)償電路?
06：兩個(gè)完全穩(wěn)定的開關(guān)電源,組成系統(tǒng)時(shí),為什么會(huì)產(chǎn)生振蕩?
問題一開關(guān)電源的帶寬是不是越高越好?
1)：兩種常見控制的開關(guān)電源框圖
(1)：峰值電流型控制
(2)：電壓型控制
2)：開關(guān)電源帶寬的定義
(1)：開關(guān)電源的小信號(hào)傳遞函數(shù)方塊圖
(2)：開關(guān)電源的小信號(hào)閉環(huán)環(huán)增益
(3)：開關(guān)電源閉環(huán)小信號(hào)等效電路
(4)：開關(guān)電源閉環(huán)小信號(hào)等效電路中的動(dòng)態(tài)參數(shù)
開關(guān)電源閉環(huán)小信號(hào)等效電路中的動(dòng)態(tài)參數(shù)是否有解(或開關(guān)電源是否穩(wěn)定)與其閉環(huán)環(huán)增益T ( s )有關(guān).
開關(guān)電源閉環(huán)小信號(hào)等效電路中的動(dòng)態(tài)參數(shù)是否滿足開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)規(guī)格與其閉環(huán)環(huán)增益T ( s )有關(guān).
(5)：開關(guān)電源的穩(wěn)定性判椐及開關(guān)電源的帶寬概念
-- 用環(huán)增益的Bode圖，可判斷開關(guān)電源的穩(wěn)定性。
-- 環(huán)增益的帶寬：其幅頻特性
-- 環(huán)增益的相位裕量：
-- 環(huán)增益的增益裕量：環(huán)增益相位為-180°處的環(huán)增益幅度的分貝絕對(duì)值。
穩(wěn)定性條件：
上述條件須在所有穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上及全部環(huán)境溫度下均滿足，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。
開關(guān)電源的帶寬就是其閉環(huán)環(huán)增益的帶寬。
3)：開關(guān)電源帶寬的高低對(duì)開關(guān)電源的影響
(1)：從開關(guān)電源的穩(wěn)定性看,帶寬越低,電源越容易穩(wěn)定：
--- 對(duì)PCB布板要求降低；
--- 補(bǔ)償電路的抗高頻干擾能力增強(qiáng)；
--- 相位裕量增加；
(2)：從開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)指標(biāo)看,帶寬越高,電源的動(dòng)態(tài)性能越好；
--- 可提高對(duì)輸入低頻紋波的抑制能力；
--- 可提高對(duì)輸出負(fù)載電流變化的抑制能力；
(3)：在滿足同樣動(dòng)態(tài)指標(biāo)時(shí),帶寬高的開關(guān)電源,會(huì)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(huán)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(shí),輸入端的濾波電容就越??；同樣的道理在負(fù)載跳變所引起的輸出電壓變化一樣時(shí),輸出端的濾波電容就越小；
(4)：提升開關(guān)電源的帶寬,對(duì)開關(guān)電源的性價(jià)比非常有利,但受許多因素牽制:
--- 開發(fā)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(guān)電源的帶寬是不是越高越好？
答案：是
因?yàn)橹挥胁粩嗵岣唛_關(guān)電源的帶寬，才能保證你的開關(guān)電源產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)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(tǒng)PFC的實(shí)現(xiàn)框圖
通過(guò)一個(gè)乘法器和電壓環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓，正弦的電流環(huán)基準(zhǔn)，及輸入的前饋；用快速的電流環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦和單位功率因數(shù)。
2)：實(shí)現(xiàn)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(huán)的基準(zhǔn)必須與輸入電壓同相且失真很小：
(2)：電流環(huán)的速度足夠快或者該環(huán)環(huán)增益的帶寬足夠高。
3)：為什么PFC的帶寬要控制在10~20Hz?
(1)：因?yàn)殡娏鳝h(huán)的基準(zhǔn)為：
其中：
為輸入電壓波形的取樣信號(hào)：
為輸入電壓有效值的取樣信號(hào)：
當(dāng)輸入電壓波形無(wú)失真時(shí)，基準(zhǔn)電流的波形在B為凈直流時(shí)，為理想的正弦。而現(xiàn)在的B是電壓環(huán)的輸出，它有一個(gè)直流分量和一個(gè)兩倍網(wǎng)頻分量。兩倍網(wǎng)頻分量產(chǎn)生的原因見下面的分析：
（1）電路原理圖（穩(wěn)態(tài)）
（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(jí)元器件均理想；
（5）：電感電流為CCM。
（3）：穩(wěn)態(tài)電路波形
（3）：穩(wěn)態(tài)電路波形
(2)：所以電流環(huán)的基準(zhǔn)可寫成：
所以基準(zhǔn)中的第二項(xiàng)會(huì)帶來(lái)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(xiàng)的影響可忽略。這就要求電壓環(huán)的補(bǔ)償電路對(duì)輸出電壓的2倍網(wǎng)頻分量有非常大的衰減。經(jīng)分析可知，為實(shí)現(xiàn)3%左右的輸入正弦電流失真度，電壓環(huán)的帶寬一般須控制在10~20Hz。
PFC的電壓環(huán)設(shè)計(jì)Bode圖見如下：
問題三用UC3842~45控制的開關(guān)電源,其限流點(diǎn)為什么會(huì)隨輸入電壓變化?
1)：峰值電流型控制的調(diào)制器方程
(1)：無(wú)外部補(bǔ)償斜波（占空比小于0.5）：
(2)：限流時(shí)調(diào)制器的穩(wěn)態(tài)方程：
2)：正激變換器的限流點(diǎn)
從方程可知，限流點(diǎn)與輸入電壓有關(guān)。
3)：反激變換器的限流點(diǎn)
從方程可知，限流點(diǎn)與輸入電壓有關(guān)。
4)：可見用UC3842~45控制的開關(guān)電源,其限流點(diǎn)會(huì)隨輸入電壓變化，在有外部斜波補(bǔ)償時(shí)，用同樣的分析，也有同樣的結(jié)果。
5)：采用UC3842~45控制的開關(guān)電源,其限流點(diǎn)的調(diào)試通常比較費(fèi)時(shí)，往往要加一個(gè)輸入電壓前饋來(lái)盡量減小限流點(diǎn)與輸入電壓的影響。大家要先進(jìn)行分析，再設(shè)計(jì)參數(shù)，然后再去調(diào)試，這樣可以減少很多時(shí)間。
6)：下面是對(duì)反激變換器的限流點(diǎn)分析．
過(guò)流保護(hù)直接采用UC3844的峰值限流功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)超過(guò)限流點(diǎn)時(shí)，比較器會(huì)限制占空比，從而減小輸出電壓，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加時(shí)，輸出電壓會(huì)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(huì)變低，在過(guò)流點(diǎn)后的某一負(fù)載范圍內(nèi)，如輔助電源仍在IC的關(guān)斷電壓之上，則開關(guān)電源仍將工作，但按恒峰值電流方式工作，當(dāng)負(fù)載再繼續(xù)增加后，輔助電源的電壓就不足以維持IC的工作，而會(huì)將IC關(guān)斷。IC的關(guān)斷導(dǎo)致DC/DC的關(guān)斷，負(fù)載電流下降，但由于IC的電源電壓有一個(gè)很大的回差，所以要在一定時(shí)間后，才能重新啟動(dòng)開關(guān)電源，如過(guò)載故障還在，則會(huì)再一次關(guān)斷開關(guān)電源，形成一種間隙的保護(hù)方式，如過(guò)載故障已經(jīng)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(guān)系，輸入低限的限流點(diǎn)比輸入高限的限流點(diǎn)要低，為保證限流點(diǎn)的盡可能一致，圖中在電流采樣中加了一個(gè)輸入電壓的前饋。
1)：未加輸入電壓前饋時(shí)的過(guò)流點(diǎn)與輸入電壓的關(guān)系
2)：加輸入電壓前饋后的過(guò)流點(diǎn)與輸入電壓的關(guān)系
3)：加輸入電壓前饋后的參數(shù)設(shè)計(jì)
方程中除了Rs、R5、R6未知外，其它參數(shù)都是已知的。所以三個(gè)方程應(yīng)當(dāng)可以求得一組近似解。而目前是在實(shí)驗(yàn)中湊參數(shù)。來(lái)調(diào)節(jié)限流點(diǎn)，這往往會(huì)花費(fèi)開發(fā)人員大量的時(shí)間，而且從方程可知，對(duì)于不同的輸入電壓范圍，不同的主電路參數(shù)，這組參數(shù)是不同的，因而不能隨便套用，作這個(gè)實(shí)驗(yàn)，將使開發(fā)人員花費(fèi)很多時(shí)間。
問題四開關(guān)電源的帶容性負(fù)載能力是不是越大越好?
1)：開關(guān)電源的帶容性負(fù)載能力
開關(guān)電源能夠帶的最大負(fù)載電容，稱為開關(guān)電源的容性負(fù)載能力。
2)：開關(guān)電源容性負(fù)載能力的大小給用戶有什么好處？
對(duì)兩家公司的開關(guān)電源進(jìn)行比較時(shí)：
（1）：在其帶寬相同時(shí)，帶容性負(fù)載能力越強(qiáng)的開關(guān)電源，用戶使用時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)載范圍會(huì)更寬；
（2）：當(dāng)帶寬不相同時(shí)，帶寬低的開關(guān)電源，即使具有更大的帶容性負(fù)載能力，在帶寬高的開關(guān)電源能滿足的動(dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)合，也應(yīng)盡量避免選擇前者，原因是它讓用戶使用更多的電容，占據(jù)更多的空間；
（3）：如能夠?qū)㈤_關(guān)電源的帶寬提高許多，而降低其帶容性負(fù)載的能力，對(duì)用戶是好事，對(duì)電源公司且會(huì)增加開發(fā)難度。一個(gè)電源企業(yè)要想辦法提高開關(guān)電源的帶寬讓用戶去滿足快速的動(dòng)態(tài)負(fù)載，而不是想辦法讓用戶用更多的電容去滿足快速的動(dòng)態(tài)負(fù)載。
答案：開關(guān)電源的帶容性負(fù)載能力并不是越大越好。只有在帶寬相同時(shí)，才是越大越好，當(dāng)帶寬不同時(shí)，這個(gè)能力不能比較。
或許得在電源規(guī)格中引入一個(gè)帶寬與容性負(fù)載能力乘積的指標(biāo)，才能對(duì)各家企業(yè)的開關(guān)電源進(jìn)行這方面的比較。
問題五在峰值電流控制中,當(dāng)占空比大于0.5時(shí),為什么要加斜波補(bǔ)償電路?
1)：從調(diào)制器的波形看子諧波振蕩的現(xiàn)象（CCM）
D>0.5，有不穩(wěn)定性問題---因外部時(shí)鐘的原因，這種不穩(wěn)定性表現(xiàn)為子諧波振蕩
2)：從等效功率級(jí)的小信號(hào)傳遞函數(shù)看子諧波振蕩的原因（用Buck變換器作為例子 --CCM）
從Qp可知,當(dāng)無(wú)外部斜波補(bǔ)償(mc=1）時(shí),對(duì)應(yīng)于占空比大于0.5的工作點(diǎn),CCM下的等效功率級(jí)會(huì)產(chǎn)生子諧波振蕩,所以必須外加一個(gè)一定含量的外部斜波補(bǔ)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(shí)，要加一個(gè)外部斜波補(bǔ)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(jí)的小信號(hào)傳遞函數(shù)中，都有下面的一項(xiàng)
所以：在峰值電流控制中,當(dāng)占空比大于0.5時(shí),都存在子諧波振蕩，只有加一個(gè)合適的斜波補(bǔ)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(bǔ)償?shù)慕尤腚娐?/strong>
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(gè)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(gè)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(gè)直流分量，如圖紅線波形。
問題六兩個(gè)完全穩(wěn)定的開關(guān)電源,組成系統(tǒng)時(shí),為什么會(huì)產(chǎn)生振蕩?
1)：兩個(gè)開關(guān)電源級(jí)聯(lián)組成的系統(tǒng)作為例子
從上面的小信號(hào)等效電路，可得該級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的小信號(hào)方程：
由于開關(guān)電源的閉環(huán)輸入阻抗在低頻段為負(fù)值，所以當(dāng)兩個(gè)開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)小信號(hào)不匹配時(shí)，上述小信號(hào)方程會(huì)有右半平面的極點(diǎn)，即其組成的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩：
2)：上述分析表明
兩個(gè)完全穩(wěn)定的開關(guān)電源,組成系統(tǒng)時(shí),也可能產(chǎn)生振蕩?同樣的方法可用來(lái)分析其它的開關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定性問題的原因。
3)：兩個(gè)開關(guān)電源級(jí)聯(lián)組成的系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：
4)：當(dāng)滿足：
對(duì)兩個(gè)開關(guān)電源級(jí)聯(lián)組成的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響最小。
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