一款高效率AC-DC开关电源管理系统的环路设计
开关电源环路设计与计算_ON-Bright
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电流模式与电压模式的直观a理o 解 电压模式是占空比直接调制，变压器电感是开环状态，在外围电压回路 np 中引入一个DC极点(s=0) Te 电流模式是占空比间接调制，变压器电感是闭环状态。 l to 反激变换器类似于buck-boost架构，以buck-boost为例分析。 tia 无论是电压还是电流模式，CCM中RHZ始终存在，且频率相同。
开关电源环路设计要点
开关电源环路设计要点开关电源是一种电源供电方式，主要通过开关电器元件（如MOS管）在开关状态下实现电能转换和电压变换。
开关电源具有高效率、小体积、低成本等优点，被广泛应用于各种电子设备中。
下面就开关电源环路设计的要点进行详细介绍。
一、开关电源环路基本结构开关电源环路一般由输入电源滤波、脉宽调制、开关器件、输出滤波、反馈控制五个部分组成。
其中，输入电源滤波主要用于滤除输入电源中的交流干扰，保证开关电源工作的稳定性；脉宽调制控制开关器件的导通时间，进而控制输出电压的大小；开关器件用于控制电能的转换和电压变换；输出滤波用于去除开关导通时产生的高频噪声；反馈控制通过检测输出电压，调整脉宽调制信号，实现输出电压的稳定。
二、开关频率的选择开关频率是指开关电源中开关器件（如MOS管）的工作频率。
开关频率的选择要根据具体应用需求来确定。
一般情况下，高开关频率可以实现较高的转换效率，但也会增加开关器件和元件的压力，增加损耗。
因此，在选择开关频率时需要综合考虑功率损耗、损耗成本、EMI等因素，合理选择开关频率。
三、开关器件的选型开关电源中的开关器件是实现能量转换和电压变换的核心关键部分。
目前常见的开关器件有MOS管、IGBT等。
在选型时需要综合考虑开关电源的输出功率、工作温度、开关频率等因素。
此外，还要考虑开关器件的导通电阻、关断电阻、开关速度、电流承载能力等性能参数。
四、输出滤波电路设计输出滤波电路用于去除开关器件开关工作时产生的高频噪声。
一般情况下，输出滤波电路由电感和电容组成。
通过选取合适的电感和电容参数，可以实现对高频噪声的有效滤除，并保证输出电压的稳定。
此外，还可以通过设计共模电感、差模电感等结构来进一步提高滤波效果。
五、反馈控制回路设计反馈控制回路用于检测并调整输出电压，保证输出电压的稳定性。
常见的反馈控制回路结构有电压反馈和电流反馈两种。
电压反馈是通过采样电路和比较器将输出电压与设定值进行比较，从而产生反馈信号；电流反馈是通过采样电阻和比较器将输出电流与设定值进行比较，从而产生反馈信号。
ACDC开关电源的设计
AC/DC开关电源的设计一． 技术要求1.1 AC/DC 开关电源 1．输出电压： 直流，纹波电压（峰峰值）小于额定电压的0.5% 2． 输入电压： AC 三相380V ±10％ 3． 输入电压频率： 50±5HZ 4． 负载短时过载倍数： 200％ 5． 瞬态特性： 较好6．技术指标要求： 输出直流电压(V)10~12~14输出电流（A ）140 1.2 设计条件1） 电路形式 全桥 全波整流 2） 工作频率 20KHZ3） 逆变器电路最高，最低电压 DC 592～450V4） 输出电压 max o V =14VDC min 10o V VDC = 输出电流 150A5） 开关管最大导通时间 max o T ＝22.5us 6） 开关管导通压降 1U ∆=3V7） 整流二极管导通压降 2U ∆＝1V 8） 变压器允许温升 25C ︒ 9） 电原理图二、主电路原理与设计2.1主电路工作原理380V 市电经不控整流后变成了脉动的直流电，经直流滤波电路后变成平稳的直流供给逆变电路，逆变桥在驱动信号的作用下根据正弦脉宽调制原理将直流电变成一定电压一定频率的交流电，再经过隔离变压器来实现电压的匹配，经过整流来得到直流更好的直流电，经直流滤波隔离后供给负载。
采用SPWM 调制方式，通过电压负反馈调节输出电压，使输出电压稳定在一定的范围内。
2.2主电路结构UVW主电路原理简图如图所示主电路主奥包括以下几个部分：1）不控整流部分：主要采用三相不控整流，该电路结构简单，可靠性高。
2）DC滤波部分：注意用无源滤波电路来使电路中的有害谐波减少，提高对以后电路供电的可靠性。
3）逆变电路：采用功率IGBT为开关器件，SPWM调制方式，利用电压负反馈构成闭环控制，稳定输出电压。
4）隔离电路：主要是用隔离变压器来实现电路的隔离和电压的匹配。
5）二次逆变部分：注意是实现电压的二次变换，来实现供电的高可靠性和高直流性。
开关电源环路设计与计算
Ro
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LCo1 n2 D'2
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right 系统右半平面零点: On-B 负载电容ESR 零点:
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右半平面零点(RHZ)的直观理ao解 RHZ在boost, buck-boost, flyback(占空比由输入输出电压和匝比决 np 定)CCM中都存在,而DCM中没有RHZ。 Te 负载突然增加→输出电压下降→EA+PWM 反应→占空比增大(Wrong to Way)→反激时间减小→输出电流减小(通过输出diode)→输出电压下降更多 l (临时)。此即典型RHZ响应特性。 On-Bright Confidentia 在DCM中，占空比增大导致输出电流增大，故不存在此RHZ
fiden 控制模式 n ¾ 电压模式 o ¾ 电流模式
ht C 开关电源系统可分为两大块 -Brig ¾ 负反馈回路(feedback loop) On ¾ 保护功能(OVP, OCP, OTP ……)
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环路的补偿考虑
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开关电源控制环路设计
开关电源控制环路设计前馈环节通常由开关电源的输出电压或电流采样电路、误差放大器、比较器和PWM控制器等组成。
开关电源的输出电压或电流通过采样电路进行实时的电压或电流测量，并将测量值与设定值进行比较。
误差放大器将比较器输出的误差信号放大，并输出给PWM控制器。
PWM控制器根据误差信号调整开关管的导通和关断时间，从而控制开关电源输出电压或电流的稳定性。
反馈环节通常由输出电压或电流反馈回路组成。
反馈回路通过将开关电源输出电压或电流与参考电压或电流进行比较，得到误差信号，并将其输入到前馈环节的比较器中。
反馈环节的作用是通过不断地调整开关电源的工作状态，使输出电压或电流尽量接近设定值，并抵消部分外部环境的影响，以保持开关电源稳定工作。
在开关电源控制环路设计中，需要考虑诸多因素。
首先是前馈环节的设计。
前馈环节应具有高增益和低失真的特性，能够准确地将输出电压或电流的变化转换为误差信号，并将其输出给PWM控制器。
其次是PWM控制器的设计。
PWM控制器应能够按照误差信号的大小和方向，精确地调整开关管的导通和关断时间，并保持开关电源输出电压或电流的稳定性。
最后是反馈环节的设计。
反馈环节应能够准确地测量开关电源的输出电压或电流，并将其输入到前馈环节的比较器中。
同时，反馈环节还需考虑去除噪声和抑制振荡等问题，以保证闭环控制系统的稳定性和可靠性。
开关电源控制环路设计的关键是要平衡稳定性和动态响应速度。
稳定性是指开关电源在加载变化或输入电压波动等情况下，输出电压或电流能够尽快地恢复到设定值并保持稳定；而动态响应速度则是指开关电源对设定值的变化能够迅速地响应。
在设计中，需要根据具体的应用需求和制约条件，选择合适的控制算法、滤波器和补偿网络等，以使开关电源控制环路设计达到较好的稳定性和动态响应速度。
总之，开关电源控制环路设计是一个复杂而关键的任务。
它需要综合考虑前馈环节、反馈环节以及稳定性和动态响应速度等因素，以实现开关电源的稳定性和输出精度要求。
开关电源环路设计及实例详解
开关电源环路设计及实例详解一、开关电源的基本原理开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源，其基本原理是通过开关管控制变压器的工作状态，从而实现对输入交流电进行变换、整流和稳压的过程。
开关电源具有输出功率大、效率高、体积小等优点，因此被广泛应用于各种电子设备中。
二、开关电源环路的组成1. 输入滤波器：用于滤除输入交流电中的高频噪声和杂波信号，保证后续环节能够正常工作。
2. 整流桥：将输入交流电转换为直流电信号。
3. 直流滤波器：用于滤除直流信号中的纹波和杂波信号，保证输出稳定。
4. 开关变换器：通过控制开关管的导通和截止状态来控制变压器的工作状态，从而实现对输入信号的变换。
5. 输出稳压器：用于对输出直流信号进行稳压处理，保证输出恒定。
三、开关电源环路设计步骤1. 确定输出功率和输出电压范围。
2. 选择合适的变压器。
3. 设计整流桥和直流滤波器。
4. 设计开关变换器，包括选择合适的开关管和控制电路。
5. 设计输出稳压器，包括选择合适的稳压芯片和反馈电路。
6. 进行整个电路的仿真和优化。
7. 进行实际电路的搭建和调试。
四、开关电源环路设计实例以12V/5A开关电源为例，进行具体设计。
1. 确定输出功率和输出电压范围：输出功率为60W，输出电压范围为11-13V。
2. 选择合适的变压器：根据需求选择带有多个二次侧绕组的变压器，其中一个二次侧用于提供控制信号，另一个二次侧用于提供输出信号。
通过计算得到变压比为1:2。
3. 设计整流桥和直流滤波器：采用全波整流桥结构，并选用大容量滤波电容进行直流滤波处理。
4. 设计开关变换器：选用MOS管作为开关管，并采用反激式结构进行设计。
控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）技术进行控制。
同时，在输入端加入输入滤波器进行滤波处理。
5. 设计输出稳压器：选用LM2576芯片进行稳压处理，通过反馈电路控制输出电压。
同时，加入输出滤波电容进行滤波处理。
6. 进行整个电路的仿真和优化：通过仿真软件进行各个环节的仿真和优化，保证整个电路的性能符合要求。
开关电源的环路设计
开关电源反馈设计除了磁元件设计以外，反馈网络设计也是开关电源了解最少、且非常麻烦的工作。
它涉及到模拟电子技术、控制理论、测量和计算技术等相关问题。
开关电源环路设计的目标是要在输入电压和负载变动范围内，达到要求的输出（电压或电流）精度，同时在任何情况下应稳定工作。
当负载或输入电压突变时，快速响应和较小的过冲。
同时能够抑制低频脉动分量和开关纹波等等。
为了较好地了解反馈设计方法，首先复习模拟电路中频率特性、负反馈和运算放大器基本知识，然后以正激变换器为例，讨论反馈补偿设计基本方法。
并介绍如何通过使用惠普网络分析仪HP3562A 测试开环响应，再根据测试特性设计校正网络和验证设计结果。
最后对仿真作相应介绍。
6.1 频率响应在电子电路中，不可避免存在电抗（电感和电容）元件，对于不同的频率，它们的阻抗随着频率变化而变化。
经过它们的电信号不仅发生幅值的变化，而且还发生相位改变。
我们把电路对不同频率正弦信号的输出与输入关系称为频率响应。
6.1.1 频率响应基本概念电路的输出与输入比称为传递函数或增益。
传递函数与频率的关系－即频率响应可以用下式表示600 )()(f f G Gϕ∠=&其中G (f )表示为传递函数的模（幅值）与频率的关系，称为幅频响应；而∠ϕ(f ) 表示输出信号与输入信号的相位差与频率的关系，称为相频响应。
典型的对数幅频响应如图6.1所示，图6.1(a)为幅频特性，它是画在以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴增益用20log G (f )表示。
图 6.1(b)为相频特性，同样以对数频率f 为横坐标的单对数坐标上，纵轴表示相角ϕ。
两者一起称为波特图。
在幅频特性上，有一个增益基本不变的频率区间，而当频率高于某一频率或低于某一频率，增益都会下降。
当高频增高时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为上限频率，或上限截止频率f H ，大于截止频率的区域称为高频区；在低频降低时，当达到增益比恒定部分低3dB 时的频率我们称为下限频率，或下限截止频率f L ，低于下限截止频率的区域称为低频区；在高频截止频率与低频截止频率之间称为中频区。
开关电源环路设计(详细)
6.4 开关电源闭环设计从反馈基本概念知道：放大器在深度负反馈时，如输入不变，电路参数变化、负载变化或干扰对输出影响减小。
反馈越深，干扰引起的输出误差越小。
但是，深反馈时，反馈环路在某一频率附加相位移如达到180°,同时输出信号等于输入信号，就会产生自激振荡。
开关电源不同于一般放大器，放大器加负反馈是为了有足够的通频带，足够的稳定增益，减少干扰和减少线性和非线性失真。
而开关电源，如果要等效为放大器的话，输入信号是基准（参考）电压U ref ，一般说来，基准电压是不变的；反馈网络就是取样电路，一般是一个分压器，当输出电压和基准一定时，取样电路分压比（k v ）也是固定的（U o =k v U ref ）。
开关电源不同于放大器，内部（开关频率）和外部干扰（输入电源和负载变化）非常严重，闭环设计目的不仅要求对以上的内部和外部干扰有很强抑制能力，保证静态精度，而且要有良好的动态响应。
对于恒压输出开关电源，就其反馈拓扑而言，输入信号（基准）相当于放大器的输入电压，分压器是反馈网络，这就是一个电压串联负反馈。
如果恒流输出，就是电流串联负反馈。
如果是恒压输出，对电压取样，闭环稳定输出电压。
因此，首先选择稳定的参考电压，通常为5～6V 或2.5V ，要求极小的动态电阻和温度漂移。
其次要求开环增益高，使得反馈为深度反馈，输出电压才不受电源电压和负载（干扰）影响和对开关频率纹波抑制。
一般功率电路、滤波和PWM 发生电路增益低，只有采用运放（误差放大器）来获得高增益。
再有，由于输出滤波器有两个极点，最大相移180°，如果直接加入运放组成反馈，很容易自激振荡，因此需要相位补偿。
根据不同的电路条件，可以采用Venable 三种补偿放大器。
补偿结果既满足稳态要求，又要获得良好的瞬态响应，同时能够抑制低频纹波和对高频分量衰减。
6.4.1 概述图6.31为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。
可以看出是一个负反馈系统。
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一款高效率AC-DC开关电源管理系统的环路设计开关电源的动态特性是其众多性能指标中的一种,拥有良好动态特性的开关电源对负载变化具有快速响应能力,更高的调节精度和更好的稳定性能。
对开关电源环路进行小信号建模是分析和设计其动态特性的一种常用方法。
然而在实际应用中,由于大量使用开关电源管理芯片以及隔离变压器等非线性器件,给开关
电源环路小信号建模带来了一定困难。
本文从工程实际应用出发,详细推导了一款高效率反激式开关电源管理芯片应用拓扑的建模过程,并对其环路稳定性进行了分析和设计以获得良好的动态响应特性。
充分理解和掌握常见开关变换器基本拓扑的工作原理和控制过程是对开关
变换器进行小信号建模的基础。
文章首先从开关电源的工作原理出发,分析了几种基本拓扑的工作原理,并且介绍了适用于各种拓扑的基本建模方法,包括小信
号建模法、状态空间平均法、开关器件模型等效法。
接下来,为了设计反激式开关电源管理芯片应用电路的补偿网络,本文做了以下工作:首先,对本文采用的电源管理芯片基本原理进行简要介绍。
为了使反激变换器拓扑的开环特性分析过程更加简明,还对应用电路进行了模块化处理。
然后,在分析脉宽调制器(PWM)过程中,特别介绍了一款多模式PWM控制器的设计过程。
该款控制器以多模式工作方式提高了对不同负载的适应能力,极大地降低了开关损耗,从而实现高效率的目的。
这种多模式的引入虽然在电路设计上带来了一定难度,但从理论分析知这并没有使环路分析复杂化。
最后,建立主电路模型并获得传递函数,结合之前的PWM传递函数得到电路除补偿部分的传递函数。
根据设计目标和开关电源补偿准则,使用数学分析软件设计补偿网络以获得最好的动态响应。
仿真和测试结果都表明,本文的设计工作基本满足预期要求。
这对工程实践具有很好的参考意义。