开关电源的频域分析与综合(连载汇总)
开关电源工作原理超详细解析
开关电源工作原理超详细解析开关电源（Switching Power Supply）是一种先将输入交流电转换为直流电，再通过变换器和开关元件进行调制和控制，最终输出所需电压和电流的电源装置。
它可以高效地进行能量转换，减少功耗，适用于各种电子设备。
下面将详细解析开关电源的工作原理。
1.开关电源的基本组成开关电源由输入滤波器、整流器、脉宽调制器、变压器、输出滤波器和反馈电路组成。
-输入滤波器：用于滤除输入电源中的干扰信号，并平滑输送到整流器。
-整流器：将交流电转换为直流电，常用的整流方式有全波整流和半波整流。
-脉宽调制器：根据反馈信号调整开关管的导通时间，控制开关元件的开关频率和占空比。
-变压器：将输入电压转换为所需的输出电压，并通过与脉宽调制器协调工作来控制输出电压的稳定性。
-输出滤波器：用于平滑输出电压，减少纹波幅度，并滤波输出电流。
-反馈电路：通过采样输出电压并与目标电压进行比较，产生反馈信号控制脉宽调制器的输出。
2.工作原理-输入滤波：交流电经过输入滤波器后，去除干扰信号，并保持电压稳定。
输入滤波器通常由电容和电感组成，它们通过电压和电流的交替变化，将输入电源趋于稳定。
-变压：通过变压器将输入电压进行转换，以获得需要的输出电压。
变压器一般由磁性材料、绕线、磁心等组成，通过众多的绕线匝数比实现输入电压于输出电压的变化。
-输出滤波：经过变压器的输出信号包含较多的纹波幅度，通过输出滤波器将纹波幅度减小到可以忽略不计的程度。
输出滤波器通常包括电感和电容，通过滤除高频杂波和平滑输出电流。
3.脉宽调制脉宽调制器是开关电源中至关重要的一个部件，负责控制开关元件（如晶体管或MOSFET）的开关频率和占空比，以调节输出电压的稳定性。
- 控制开关频率：脉宽调制器根据输出电压的需求，采用不同的控制方式，例如固定频率PWM（Pulse-Width Modulation）、可变频率PWM和电流模式控制。
通过调整开关频率，可以实现对输出电压的精确控制。
开关电源工作频率的原理分析
开关电源工作频率的原理分析开关电源是一种高效稳定的电源供应系统，在许多电子设备中得到广泛应用。
在开关电源的设计和使用过程中，工作频率是一个至关重要的参数。
本文将分析开关电源工作频率的原理，并探讨其对性能的影响。
一、开关电源的基本原理开关电源是通过快速开关管将输入电源切换成高频脉冲信号，然后经过滤波、调整和变换等环节，最终得到稳定的输出电压。
这种切换过程会产生开关频率的信号，即工作频率。
二、工作频率的选择原则1. 效率：开关电源的效率在很大程度上取决于工作频率。
较高的工作频率会导致较低的开关损耗，从而提高整个系统的效率。
2. 尺寸：开关频率高的电源可以采用较小的元件，减小整体体积。
尤其在微型电子设备中，对尺寸的要求较高。
3. 抗干扰能力：工作频率的选择还应考虑系统对外界干扰的抗性。
合适的工作频率可以减小电源对周围环境电磁波的敏感程度，提高系统的抗干扰能力。
三、开关电源工作频率的影响因素1. 电感元件：工作频率越高，电感元件的体积越小。
同时，高频信号会导致电感元件产生更大的功率损耗，因此需要选择工作频率适中的电感元件来平衡体积和损耗的关系。
2. 开关管：开关管具有较大的开关频率响应能力，但频率过高会产生更大的导通压降和开关损耗。
因此，在选择开关管时，需综合考虑频率响应和损耗的权衡。
3. 输出滤波：工作频率的选择还涉及输出滤波电容的大小。
频率过高会导致输出滤波电容变得更小，从而可能引起输出电压波动或噪声。
四、常见的工作频率范围开关电源的工作频率通常分为几个常见的范围，包括：1. 低频范围（20 kHz以下）：适用于需要高功率输出和承受重载的应用，如电感加热、电动工具等。
2. 中频范围（20 kHz至100 kHz）：适用于一般的电子设备，如计算机、通信设备等。
在这个频率范围内，可以实现较高的效率和尺寸优势。
3. 高频范围（100 kHz以上）：适用于追求小型化和高效率的应用，如笔记本电脑、手机等微型电子设备。
开关电容滤波器频域分析
开关电容滤波器频域分析2009-10-26 9:21:00 【文章字体：大中小】推荐收藏打印摘要：介绍了利用频域方法对一种常用的开关电容滤波器的传输特性进行理论分析，得出了其等效噪声带宽，并给出了仿真结果。
所得结果与参考文献中时域方法分析的结果相一致，但是分析过程要简洁得多，而且更容易理解。
随着集成电路技术的发展和工艺的改进，高质量的MOS电子开关和电容可以集成在体积很小的芯片上，从而使开关电容滤波器（SCF）得到广泛应用。
SCF中既有模拟电路，又有开关电路，其分析和综合方法往往比较复杂，已见报道的有阻抗变换法、双线性z变换法、时域分析方法等。
本文针对一种常用的SCF电容，利用频域方法分析其传输特性，所得结果与时域方法分析的结果相一致。
1 开关电容滤波器频域分析图1（a）所示是一种常用的开关电容滤波电路，它既有滤波作用，又有放大作用。
图中的K1和K2是由脉冲信号控制的双刀双掷同步电子开关，其控制信号p(t)是频率为f0的方波，如图1（b）所示。
当p(t)为高电平时，电子开关接到A（如实线所示），当p(t)为低电平时，电子开关接到B（如虚线所示）。
考虑到运算放大器输入负端为虚地，流经反馈支路的电流i(t)(设定方向如图中箭头所示)与输入电压vi(t)之间的关系为：vi(t)=-R1i(t) (1) 式（1）的傅立叶变换式为：Vi(ω)=-R1I(ω) (2) 式（2）中的Vi(ω)和I（ω）分别表示vi(t)和i(t)的频谱。
对于反馈支路，由于电子开关的作用，电流i(t)通过电子开关周期性地变换方向给RC并联电路交替充电，这相当于对i(t)周期性地乘以+1和-1，这样就可以用i'(t)=p(t)×i(t) (3) 来表示流经RC积分电路的电流。
设方波p(t)的周期为T0，角频率为ω0=2π/T0，如图1（b）所示。
这样的周期函数可以展开为如下指数形式的傅立叶级数：将（4）式代入（3）式，得：对（5）式进行傅立叶变换，并利用F[x(t)exp(jω1t)]=X(ω-ω1)的频移特性，得：式中，I'(ω)为i'(t)的频谱，I（ω）为i(t)的频谱。
反激式开关电源工作原理及波形分析
反激式开关电源工作原理及波形分析
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反激式开关电源工作时可以简化为下图所示电路：
Mos管控制原边（左侧）电流的通断。
Mos管导通时：
电感充电（实则为建立磁通），副边二极管截止，无电流。
Mos管断开时：
由于电流不同突变（实际上是磁通不能突变），于是在副边形成感应电流，二极管导通。
原边反射电压：
副边有电流流通时，会在原边感应出一个电压（下+上-），叠加在输入电压上。
原边的尖峰电压：
由于漏电感的存在，该部分的磁通没有通过磁芯耦合到副边，因此mos管断开时，会产生很大的电压来维持电流，从而达到维持磁通的目的。
振荡波形：
Mos管关断时尾部有振荡，是由于开关电流工作在断续模式时，能量释放完全后，原边、副边无电流。
此时原边的电路可以等效为电源+电感+电容（Mos 管输入电容），发生谐振。
实测波形如下：
（黄色为mos驱动，绿色为mos管的VDS，粉色是原边线圈的电流）。
开关电源分析
开关电源分析开关电源是一种广泛应用于电子设备中的电源转换器。
它将输入电压转换为所需输出电压，并通过开关元件的控制实现电路的开关功能。
在讨论开关电源的原理和分析之前，我们先来了解一下开关电源的基本构成和工作原理。
开关电源通常由输入滤波电路、整流电路、变换电路和输出滤波电路四个主要部分组成。
首先是输入滤波电路，它主要用来对输入电压进行滤波和去除杂散干扰。
输入电压经过输入滤波电路后，得到平稳的直流电压。
接下来是整流电路，它将输入直流电压转换为脉冲电压。
整流电路通常采用二极管桥整流电路。
当输入电压大于输出电压时，二极管导通，电流经过负载；否则，二极管不导通，电流通过滤波电容器进行充电。
然后是变换电路，它是开关电源的核心部分，用于将脉冲电压转换为所需的输出电压。
变换电路主要由开关管和变压器组成。
开关管控制变压器的工作状态，将输入电压转换为脉冲电流，并通过变压器的绝缘性能得到所需的输出电压。
最后是输出滤波电路，它主要用于滤波输出脉冲电压，使其变得平稳，以供给电子设备使用。
了解了开关电源的基本构成和工作原理，我们接下来来分析一下开关电源的优点和缺点。
首先是开关电源的优点。
开关电源的转换效率较高，一般可以达到70%以上，有些高效率电源甚至可以达到90%以上。
这是因为开关电源采用了高频开关技术，减小了传统线性电源中能量损耗较高的电压调节器。
开关电源还具有体积小、重量轻的特点，便于携带和安装。
此外，开关电源还能实现对输出电压和电流的精确控制，并提供额外的保护功能，如电流限制、过温保护等。
然而，开关电源也存在一些缺点。
首先是开关电源产生的高频噪声会对其他电子设备造成干扰。
其次，开关电源的设计和制造要求较高，需要较复杂的电路和元器件，增加了成本和技术难度。
此外，开关电源还可能产生较多的电磁辐射，对周围环境和人体健康造成一定的影响。
因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况来选择是否使用开关电源。
最后，我们来简单介绍一下开关电源的应用领域。
【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型
【很完整】⽜⼈教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型1 开关电源介绍此⽂档是作为张占松⾼级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申⼯讲解了变压器设计之后，在此⽂章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路⼯作原理和设计过程中关键器件计算与选型。
开关电源的⼯作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电⼒电⼦器件⼯作在开关状态⽽不是线性状态⾼频：电⼒电⼦器件⼯作在⾼频⽽不是接近⼯频的低频直流：开关电源输出的是直流⽽不是交流也可以输出⾼频交流如电⼦变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buck boost 正激反激半桥全桥 LLC 等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种⼯作⽅式：正激：是开关管开通时传输能量，反激：开关管关断时传输能量。
下⾯将以反激电源为例进⾏讲解。
1.3 反激开关电源简介反激⼜被称为隔离buck-boost 电路。
基本⼯作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数⽬可分为双端和单端反激。
根据反激变压器⼯作模式可分为CCM 和DCM 模式反激电源。
根据控制⽅式可分为PFM 和PWM 型反激电源。
根据驱动占空⽐的产⽣⽅式可分为电压型和电流型反激开关电源。
我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM 单端反激电源。
1.4 电流型PWM 单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适⽤⼩功率电源。
此类反激电源缺点：功率较⼩，⼀般在150w 以下，纹波较⼤，电压负载调整率低，⼀般⼤于5%。
此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输⼊电压，多路输出的变压器。
2 举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC 输⼊，+5V±3%（5A），±15±5%（0.5A）三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。
提出上⾯要求，选择思路如下：提出上⾯要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W 功率较⼩，可以选择反激开关电源。
开关电源工作频率的原理分析
开关电源工作频率的原理分析第一篇：开关电源工作频率的原理分析开关电源工作频率的原理分析一、开关电源的原理和发展趋势第一节高频开关电源电路原理高频开关电源由以下几个部分组成：图12-1(一)主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
(二)控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
(三)检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
(四)辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。
第二节开关控制稳压原理图12-2 开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。
可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。
电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。
在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：EAB=TON/T*E式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
开关电源综述报告
开关电源一、定义电源是电子设备中的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响着设备的工作质量，随着技术的不断革新，电源技术发生了巨大变化。
1.线性电源线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。
要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电路进行稳压。
2.开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。
它可以就是一个对不同输入电压进行变换和调整，以适应不同的负载要求。
其特点是电源工作在开/关状态，工作效率高，是一种比线性控制电源应用更广范的电源转换装置。
二、开关电源应用和分类开关电源的应用遍及各个行业和领域，例如：电子手表、MP3、MP4、手机、节能灯、LED灯、充电器、电源适配器、电脑、电视机、变频空调、UPS电源、电磁炉、电动摩托、电动汽车、动车组、逆变器、太阳能（风能）逆变站、高压直流电网等。
根据用途来分，电源产品可分为5大系列：AA系列——交流稳压电源；AB 系列——交流或电池输入，交流输出，又名UPS 电源；AD系列——交流变直流( 直流电源) ；ADA系列——将交流先变成直流，再将直流变为交流(净化电源) ；DD系列——直流变直流。
而传统的电源技术仅仅局限于AA系列和AD 系列两个方面。
三、电源技术的发展及现存问题1.电源技术的发展历程传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。
这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。
但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。
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图1 反馈系统的相位裕量、相位余量与增益裕量波特图 波特图：反馈系统的相位与增益裕量, 由于在直流反馈为负的, 所以在此以180°画出,也就是有额外的180°相
移。总共的相移是360°。如本文所定义的。
第二节 电源系统控制原理
图2 典型的电压型控制Buck家族变换器闭环控制
D
V V
A
（反馈电压V
A与PWM
输出控制信号的关系, V
为锯齿波峰值)）
注: 以电压型顺向式变换器为例, 考虑到系统开环响应时移走EA, 那么开环系统中PWM本身的转移函数为
VO/VEA。
2
第三节 系统的开环响应
一、常见开环响应的类型：
根据开环传递函数中是否包含RHP零点，将开关变换器分为两大类，即Buck家族（顺向式）变换器和 Boost家族变换器。
附注：若零点和极点数量增加，增益斜率和相位斜率则变为零点和极点的个数。 3、波特图：表示系统的输出电压信号相对于输入电压信号的增益-频率和相位移-频率之间的曲线图; 为了计算方
便，增益一般都以分贝方式表示在对数纸上。 4、控制到输出特性 (系统开环响应)：指电源系统不考虑误差放大器及补偿网络（即补偿器被移除后）的影响，
来确定补偿网络的主电路和元件参数，因此开关电源系统的设计问题归结为控制电路中补偿网络的设计问题。
时域法综合分析系统的步骤 用时域法综合确定自定调节系统的控制器（或补偿网络）参数的步骤如下：
（1）当开关电源初步设计完成后，加阶跃负载或阶跃输入电压； （2）测量开关电源样品对加阶跃负载或阶跃输入电压的响应； （3）如果对瞬态响应不满意，或是瞬态响应不满足规定要求时，则要修改控制器（或补偿网络）参数，重复上
Buck家族（顺向式）变换器包括Buck、 正激、推挽、半桥、全桥等开关变换器，输入能量与释放能量同时进 行，即直接传输能量（变压器初级绕组与次级绕组同时流过电流），开环传递函数中不包含RHP零点。
Boost家族变换器包括Boost、Buck - Boost、Flyback（反激）等开关变换器，开关导通时先储存能量，开关 断开时对负载释放能量，即间接传输能量，开环传递函数中包含一个RHP零点。
注意：工作于CCM的变换器会出现RHPZ；RHPZ在DCM的情况下消失，右半平面（RHP）零点频率位置随占 空比变化而变化。
二、变换器的小信号响应参数
a、正激变换器的小信号参数 控制类型（占空比的描述方式） 电感电流连续模式（工作模式）CM
一阶极点 二阶极点
1 2
利用频域模型（如方块图、传递函数等），在复频域（S域）内对开关电源进行交流小信号分析（或仿真）的 最终目的是要检验系统的时域性能指标是否满足要求。频域分析的方法包括零点极点分析、频域特性和频率响应 分析等。 开关电源系统的频域综合分析的一般步骤 （1）确定控制方法，电压型控制或电流型控制； （2）画出闭环系统应有（希望）的Bode图； （3）画出变换器功率级电路、电压检测（分压器）、脉宽调制器、驱动电路等的Bode图； （4）将步骤（2）、步骤（3）所得的两个Bode图相减，就可以得到补偿网络应有的Bode图，可以根据该Bode图
第一节 与环路相关的基本概念
1、转移函数（传递函数）定义为系统输出量除以输入量的比值。 2、零极点变化规则
左半平面单零点(↗): 表示增益和相位都随着频率的增加而增加；且增益斜率和相位斜率的变化均为+1,即增 益按+20dB/十倍频变化，而相位也按 45°/十倍频变化；零点频率处的相位是 45°。
左半平面单极点(↘): 表示增益和相位都随着频率的增加而减小；且增益斜率和相位斜率的变化均为-1,即增 益-20dB/十倍频变化，而相位也按 45°/十倍频变化；极点频率处的相位是 45°。
开关电源的频域分析与综合设计
开关电源的瞬态分析与综合方法有时域法和频域法两种。综合的主要任务有两个：一个是设计开关电源的电 压与电流控制器（也称补偿器）；二是选定补偿网络的元件参数。开关电源是一个非线性闭环系统，瞬态性能与 控制变量之间表现出很强的非线性关系，所建立的是非线性模型（也称大信号模型）。
以EA的输入端作为系统输出点, 以EA的输出端（PWM 的输入端）作为系统(即剩余网络)输入点；若 此时系统输入点被扫频仪“扫过”,所得的波特图，即为控制到输出特性，也称系统开环响应。 5、单位增益：指系统绝对增益为1 时的增益量；为了计算方便，通常用相对增益G(s)=20*log1=0dB 来定义。 6、穿越频率Fco（crossover frequency）:指在波特图中，系统相对增益为0dB时所对应的频率（增益曲线穿越0dB 线的频率点）；也称单位增益频率(带宽)、截止频率或剪切频率,一般以符号Fco 表示。 7、转折频率：电路中两个电抗元件阻抗相等处的频率。 8、相位裕量(phase margin）:指系统在穿越频率处，总的环路相位延迟与-360°之差值（见以下示意图）。或指 相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差（减去反相运放本身相移的 180°相移）。 9、增益裕量(Gain margin)：指系统相位在-360 °时所对应的总的环路增益与0dB 的差值（图1）。或指增益曲 线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益（减去反相运放本身的 180°相移）。 10、相位余量：在所有增益大于1(0dB)时，相频特性曲线上最靠近 360°的点。
述步骤，直到满意为止。 时域法综合法是一种试验法（或试探法），即调试方法。利用频域进行分析后，仍然要进行调试。
设计一个性能优良的电源除了选择好正确的方案（如拓扑结构，IC 等）外，还应包括储能元件和环路参数 的优化计算。环路包含电压环和电流环两部分，而电压环与输出电压的调整息息相关，它涉及到系统的负反馈网 络，影响系统的稳定度，故它显得尤为重要；现在就让我们一起探讨一下该部分的设计内容。
1
0.5
2
平面左半零点 右半平面零点
1 2
1 2
V ⁄V 直流增益(绝对增益)
ND
12 0.5
V ⁄V A开环直流增益
1
1
0.5
占空比D
其中，D表示占空比， 1 D截止占空比， 表示开关周期，