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switching power supply design 讀書筆記

深入學習這本書，把筆記寫出來和大家分享，如果有什么地方理解不到位請大家指正，多謝。下面進入正題。

這本書第一章開篇講的是開關電源的祖先--線性調整器。電路結構如下：

 

可以看出此結構比經(jīng)典buck電路僅僅少了一個電感，一個電容和一個續(xù)流二極管，在開關電源發(fā)明之前一直用這種電源，今天在某些低紋波低音頻噪聲的應用環(huán)境仍然在使用這種電源。實際應用中，78、79系列還有l(wèi)m317是經(jīng)常使用的。使用此類電源有兩個限制條件：最小壓降和最小交流紋波。

 

對于NPN管的應用場景，最低壓降要求就是運放的最高輸出電壓減去BE飽和壓降（通常為0.7V），運放的內部結構圖如下：

 

運放的最高輸出電壓Vo即為輸入電壓Vcc減去Q17和Q18的BE飽和壓降，通常在1.5V-2V之間，一般來說Vcc越低壓降越低。由此我們可以得到線性調整器的最低壓差，最低不能小于2.2V，輸入電壓提高最低壓差也需要隨之提高，另外考慮到溫度的影響，所以器件資料通常推薦最低壓差為2.5V。

對于PNP管的應用場景，最低壓降就是輸入電壓減去EB飽和壓降（通常為0.7V）再減去運放的最低輸出電壓（0V）。因此最低壓差就是0.7V，當然也需要考慮溫度的影響，通常考慮最低壓差為1V。

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amonson
LV.8
2
2011-05-26 17:14

繼續(xù)。。。線性調整器的最小交流紋波要求即為運放的輸入最小壓差要求，通常介于7-10mV，所以如果輸入電壓的交流紋波小于10mV，那么線性調整器就可以無法工作了。這種電源的效率很低，于是開關電源應運而生。

開關電源基本拓撲：Buck, Boost, Buck-Boost, Push-Pull, Forword, Flyback, Half-Bridge, Full-Bridge。

先談Buck，這個拓撲跟線性調整器外觀上十分接近，但工作模式已經(jīng)完全改變。

 

開關電源，顧名思義就是工作在開通和關斷狀態(tài)的電壓調整器。開通時，輸入向后級傳輸能量并給儲能器件充能；關斷時，電路中的儲能器件放能，繼續(xù)向后級傳輸能量。

對Buck電路而言，在給定頻率和限制最大輸入電流條件下，占空比越大向后傳遞的能量越多；在給定頻率和限制最大占空比條件下，輸入電流越大向后傳遞的能量越多；同理在給定的占空比和限制最大輸入電流條件下，頻率越高向后傳遞的能量越多。因為CCM工作狀態(tài)已經(jīng)被分析得很透了，在此分析一下電路工作在DCM狀態(tài)。上圖：

  

 

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amonson
LV.8
3
2011-05-26 17:28
@amonson
繼續(xù)。。。線性調整器的最小交流紋波要求即為運放的輸入最小壓差要求，通常介于7-10mV，所以如果輸入電壓的交流紋波小于10mV，那么線性調整器就可以無法工作了。這種電源的效率很低，于是開關電源應運而生。開關電源基本拓撲：Buck,Boost,Buck-Boost,Push-Pull,Forword,Flyback,Half-Bridge,Full-Bridge。先談Buck，這個拓撲跟線性調整器外觀上十分接近，但工作模式已經(jīng)完全改變。[圖片] 開關電源，顧名思義就是工作在開通和關斷狀態(tài)的電壓調整器。開通時，輸入向后級傳輸能量并給儲能器件充能；關斷時，電路中的儲能器件放能，繼續(xù)向后級傳輸能量。對Buck電路而言，在給定頻率和限制最大輸入電流條件下，占空比越大向后傳遞的能量越多；在給定頻率和限制最大占空比條件下，輸入電流越大向后傳遞的能量越多；同理在給定的占空比和限制最大輸入電流條件下，頻率越高向后傳遞的能量越多。因為CCM工作狀態(tài)已經(jīng)被分析得很透了，在此分析一下電路工作在DCM狀態(tài)。上圖：[圖片]  [圖片] 

由能量公式可以很容易的看出，能量-壓差（電流）-占空比-頻率-電感量之間的關系，理論上壓差越大能提供的能量越大，這跟水庫的原理是相通的，水庫大多建在比較高的地方。不過由于壓差過大對于PWM的控制不利，極小的占空比變化都會引起輸出能量的大幅擺動，所以只有提高開關頻率來減小單周期占空比的變化量來保證控制精度。如果能處理好各種細節(jié)的話，增大輸入輸出壓差，提高頻率將可以獲得巨大的功率密度提升。

 

占空比公式顯示出在DCM模式下，D隨輸出功率Pout增大而增大，和CCM模式下的D=Vo/Vin保持不變是不同的。

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2011-05-26 17:37
@amonson
由能量公式可以很容易的看出，能量-壓差（電流）-占空比-頻率-電感量之間的關系，理論上壓差越大能提供的能量越大，這跟水庫的原理是相通的，水庫大多建在比較高的地方。不過由于壓差過大對于PWM的控制不利，極小的占空比變化都會引起輸出能量的大幅擺動，所以只有提高開關頻率來減小單周期占空比的變化量來保證控制精度。如果能處理好各種細節(jié)的話，增大輸入輸出壓差，提高頻率將可以獲得巨大的功率密度提升。 占空比公式顯示出在DCM模式下，D隨輸出功率Pout增大而增大，和CCM模式下的D=Vo/Vin保持不變是不同的。
幫頂啊幫頂  吼吼~~~
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amonson
LV.8
5
2011-05-26 17:55
@amonson
繼續(xù)。。。線性調整器的最小交流紋波要求即為運放的輸入最小壓差要求，通常介于7-10mV，所以如果輸入電壓的交流紋波小于10mV，那么線性調整器就可以無法工作了。這種電源的效率很低，于是開關電源應運而生。開關電源基本拓撲：Buck,Boost,Buck-Boost,Push-Pull,Forword,Flyback,Half-Bridge,Full-Bridge。先談Buck，這個拓撲跟線性調整器外觀上十分接近，但工作模式已經(jīng)完全改變。[圖片] 開關電源，顧名思義就是工作在開通和關斷狀態(tài)的電壓調整器。開通時，輸入向后級傳輸能量并給儲能器件充能；關斷時，電路中的儲能器件放能，繼續(xù)向后級傳輸能量。對Buck電路而言，在給定頻率和限制最大輸入電流條件下，占空比越大向后傳遞的能量越多；在給定頻率和限制最大占空比條件下，輸入電流越大向后傳遞的能量越多；同理在給定的占空比和限制最大輸入電流條件下，頻率越高向后傳遞的能量越多。因為CCM工作狀態(tài)已經(jīng)被分析得很透了，在此分析一下電路工作在DCM狀態(tài)。上圖：[圖片]  [圖片] 
在DCM工作狀態(tài)下，電感能量完全傳輸，在電感完全放能后由電容向輸出提供能量。對比同樣輸入輸出條件，同樣工作頻率的兩個電源，一個工作在DCM狀態(tài)一個工作在CCM狀態(tài)。DCM工作方式電感小，電容大，開關管峰值電流大，續(xù)流二極管峰值電流大有效值小無反向恢復，負載動態(tài)變化時占空比變動大穩(wěn)定時間較長但不易產生低頻震蕩；CCM工作方式電感大，電容小，開關管峰值電流小，續(xù)流二極管峰值電流小有效值大有反向恢復，負載小范圍動態(tài)變化時占空比沒有大的調整穩(wěn)定時間短，負載大范圍動態(tài)變化時工作狀態(tài)改變可能引起低頻震蕩。
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amonson
LV.8
6
2011-05-26 18:53

接下來是Boost。

 

還是DCM工作狀態(tài)：

  

   

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zvszcs
LV.12
7
2011-05-26 18:59
@amonson
接下來是Boost。[圖片] 還是DCM工作狀態(tài)： [圖片]    

繼續(xù)啊

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amonson
LV.8
8
2011-05-26 19:15
@zvszcs
繼續(xù)啊
邊看邊寫，哪有那么快啊，整個連載吧，有空就更新一些，有些沒弄明白的地方還需要各位多幫忙提攜啊。
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2011-05-26 19:29
@amonson
邊看邊寫，哪有那么快啊，整個連載吧，有空就更新一些，有些沒弄明白的地方還需要各位多幫忙提攜啊。

支持，狂頂！

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amonson
LV.8
10
2011-05-26 19:32
@amonson
接下來是Boost。[圖片] 還是DCM工作狀態(tài)： [圖片]    

同樣，在DCM工作方式下，占空比D隨輸出功率增加而增加。

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gaohq
LV.8
11
2011-05-26 19:35

喜歡這樣的筆記，樓主的功底非一般啊。

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2011-05-26 20:09
@amonson
接下來是Boost。[圖片] 還是DCM工作狀態(tài)： [圖片]    
精彩。。。
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998lllll
LV.8
13
2011-05-26 20:18
不錯，有意思?。?/div>
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amonson
LV.8
14
2011-05-26 20:34
@amonson
接下來是Boost。[圖片] 還是DCM工作狀態(tài)： [圖片]    

  
隨后作者論證了磁性材料激磁和放磁的過程，并指出若設計的誤差放大器只支持DCM工作模式的電源一旦進入CCM模式將會有低頻震蕩甚至電感飽和的風險。

 


其實從嚴格意義上講，這個推導過程并不嚴謹，法拉第電磁感應定律描述的是磁生電的過程，也就是說因為有磁感應強度B才有電動勢E，而B是由電流i產生的，所以B的改變只和i的改變直接相關。如果涉及到磁性材料B值的計算或驗算，最好從電流i入手分析，這樣不容易出錯，伏秒積只是在一個完整周期內才是平衡的，對于某些瞬態(tài)是不確定的。

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amonson
LV.8
15
2011-05-26 21:03
@amonson
[圖片] [圖片] 隨后作者論證了磁性材料激磁和放磁的過程，并指出若設計的誤差放大器只支持DCM工作模式的電源一旦進入CCM模式將會有低頻震蕩甚至電感飽和的風險。[圖片] [圖片]其實從嚴格意義上講，這個推導過程并不嚴謹，法拉第電磁感應定律描述的是磁生電的過程，也就是說因為有磁感應強度B才有電動勢E，而B是由電流i產生的，所以B的改變只和i的改變直接相關。如果涉及到磁性材料B值的計算或驗算，最好從電流i入手分析，這樣不容易出錯，伏秒積只是在一個完整周期內才是平衡的，對于某些瞬態(tài)是不確定的。

這是書上的推導過程，沒有區(qū)分DCM或CCM，只是設定Ton+Tr=kT，0

 


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amonson
LV.8
16
2011-05-26 21:36
@amonson
這是書上的推導過程，沒有區(qū)分DCM或CCM，只是設定Ton+Tr=kT，0

將半導體視為理想器件并忽略其壓降，有

 

發(fā)現(xiàn)高數(shù)玩不轉了，總之就是一堆很復雜又沒太大實際意義的東西，最后得到輸出電壓不可能高到離譜的地步，根據(jù)其他書籍的推算輸出電壓最高不能大于輸入電壓的4.7倍。

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amonson
LV.8
17
2011-05-26 22:04

Buck-Boost實際上也是Flyback的不隔離形式，其輸出電壓為負壓。

這個電路是Buck和Boost電路的接合，開關管開通電路工作方式和Boost相同，而當開關管關斷時其工作方式和Buck相同。雖然在電路上沒有實現(xiàn)初次級絕緣，但在能量傳遞的方式上是“隔離”傳遞的。Buck電路在開關管開通的部分時間內，輸入對輸出直接放能；Boost電路在開關管關斷期間，輸入向輸出持續(xù)放能；而Buck-Boost電路在開關管導通時，輸入僅對電感激磁；在開關管關斷時，電感去磁向輸出放能。 因此Buck-Boost電路的輸入電壓擾動不能直接耦合到輸出，對于高頻（接近或高于開關頻率）干擾有很好的抑制效果；同樣Buck-Boost也具有Flyback同樣的問題：右半平面零點（物理意義我清楚，但如何對應到復平面上沒弄明白?。摧敵鏊枘芰吭黾?，于是開通時間增加（關斷時間減少），但是關斷時間才向輸出放能，如果放能速度加快也能很快達到新的平衡；不過當開通時間到達某種程度后，放能速度不能再大幅提升，幾個開關周期（一個反饋周期）后輸出能量依然不足，于是開通時間進一步增加。此時有兩種可能：1、幾個反饋周期后，輸出能量過高又將開通時間調小產生低頻震蕩（有電流反饋）；2、若干反饋周期后，輸出能量仍然無法滿足負載需求，開通時間持續(xù)增加，電感飽和，然后。。。（無電流反饋）

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LV.1
18
2011-05-26 22:07
@amonson
Buck-Boost實際上也是Flyback的不隔離形式，其輸出電壓為負壓。[圖片]這個電路是Buck和Boost電路的接合，開關管開通電路工作方式和Boost相同，而當開關管關斷時其工作方式和Buck相同。雖然在電路上沒有實現(xiàn)初次級絕緣，但在能量傳遞的方式上是“隔離”傳遞的。Buck電路在開關管開通的部分時間內，輸入對輸出直接放能；Boost電路在開關管關斷期間，輸入向輸出持續(xù)放能；而Buck-Boost電路在開關管導通時，輸入僅對電感激磁；在開關管關斷時，電感去磁向輸出放能。因此Buck-Boost電路的輸入電壓擾動不能直接耦合到輸出，對于高頻（接近或高于開關頻率）干擾有很好的抑制效果；同樣Buck-Boost也具有Flyback同樣的問題：右半平面零點（物理意義我清楚，但如何對應到復平面上沒弄明白?。?，即輸出所需能量增加，于是開通時間增加（關斷時間減少），但是關斷時間才向輸出放能，如果放能速度加快也能很快達到新的平衡；不過當開通時間到達某種程度后，放能速度不能再大幅提升，幾個開關周期（一個反饋周期）后輸出能量依然不足，于是開通時間進一步增加。此時有兩種可能：1、幾個反饋周期后，輸出能量過高又將開通時間調小產生低頻震蕩（有電流反饋）；2、若干反饋周期后，輸出能量仍然無法滿足負載需求，開通時間持續(xù)增加，電感飽和，然后。。。（無電流反饋）
樓主英文還不錯喲
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amonson
LV.8
19
2011-05-26 22:27
@
樓主英文還不錯喲[圖片]
這你都能看得出來
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amonson
LV.8
20
2011-05-26 22:39
@amonson
Buck-Boost實際上也是Flyback的不隔離形式，其輸出電壓為負壓。[圖片]這個電路是Buck和Boost電路的接合，開關管開通電路工作方式和Boost相同，而當開關管關斷時其工作方式和Buck相同。雖然在電路上沒有實現(xiàn)初次級絕緣，但在能量傳遞的方式上是“隔離”傳遞的。Buck電路在開關管開通的部分時間內，輸入對輸出直接放能；Boost電路在開關管關斷期間，輸入向輸出持續(xù)放能；而Buck-Boost電路在開關管導通時，輸入僅對電感激磁；在開關管關斷時，電感去磁向輸出放能。因此Buck-Boost電路的輸入電壓擾動不能直接耦合到輸出，對于高頻（接近或高于開關頻率）干擾有很好的抑制效果；同樣Buck-Boost也具有Flyback同樣的問題：右半平面零點（物理意義我清楚，但如何對應到復平面上沒弄明白啊），即輸出所需能量增加，于是開通時間增加（關斷時間減少），但是關斷時間才向輸出放能，如果放能速度加快也能很快達到新的平衡；不過當開通時間到達某種程度后，放能速度不能再大幅提升，幾個開關周期（一個反饋周期）后輸出能量依然不足，于是開通時間進一步增加。此時有兩種可能：1、幾個反饋周期后，輸出能量過高又將開通時間調小產生低頻震蕩（有電流反饋）；2、若干反饋周期后，輸出能量仍然無法滿足負載需求，開通時間持續(xù)增加，電感飽和，然后。。。（無電流反饋）

書上的公式：

 

這本書所有的公式推導都是根據(jù)能量守恒定律來的，很符合我的胃口。當年我?guī)煾到?jīng)常說，電源和通信最根本的區(qū)別就在于一個傳遞能量另一個傳遞信息，某些局部電路是可以通用的。電源最核心的功能就是傳遞能量和調整電壓，雖然反饋過程中也需要傳遞信息；通信最核心的功能是傳遞信息，雖然攜帶信息必須有能量，編解碼過程也有電平轉換。

選擇拓撲第一考慮的就是能量傳遞方式，至于電壓變換，很多不同拓撲都可以得到同樣的效果，確定能量傳遞方式后再根據(jù)成本，體積，可靠性等多個方面進行最后篩選。

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amonson
LV.8
21
2011-05-26 22:42
@amonson
書上的公式：[圖片] 這本書所有的公式推導都是根據(jù)能量守恒定律來的，很符合我的胃口。當年我?guī)煾到?jīng)常說，電源和通信最根本的區(qū)別就在于一個傳遞能量另一個傳遞信息，某些局部電路是可以通用的。電源最核心的功能就是傳遞能量和調整電壓，雖然反饋過程中也需要傳遞信息；通信最核心的功能是傳遞信息，雖然攜帶信息必須有能量，編解碼過程也有電平轉換。選擇拓撲第一考慮的就是能量傳遞方式，至于電壓變換，很多不同拓撲都可以得到同樣的效果，確定能量傳遞方式后再根據(jù)成本，體積，可靠性等多個方面進行最后篩選。
今天就到這里了，明天繼續(xù)。
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madfly
LV.5
22
2011-05-26 23:47
@amonson
接下來是Boost。[圖片] 還是DCM工作狀態(tài)： [圖片]    

樓主的學習態(tài)度非常不錯??！

仔細看到第六貼這里，有兩個問題想請教下樓主!

1.Pout表達式為什么有個1/2?

我理解這里1/2應該是沒有的！

2.i2你這么寫出的表達式意義是什么？

我理解的i2就是你所寫的表達式的后半部分。不知為什么你要用前面開通電流減關斷電流？其實就的MOS開通的功率P1與MOS關斷時功率P2的之和！其實最終的表達式Pin=Ui*Io

 

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wuzhonggui
LV.9
23
2011-05-27 00:19
@amonson
今天就到這里了，明天繼續(xù)。

來晚了！支持！

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amonson
LV.8
24
2011-05-27 00:20
@madfly
樓主的學習態(tài)度非常不錯?。∽屑毧吹降诹N這里，有兩個問題想請教下樓主!1.Pout表達式為什么有個1/2?我理解這里1/2應該是沒有的！2.i2你這么寫出的表達式意義是什么？我理解的i2就是你所寫的表達式的后半部分。不知為什么你要用前面開通電流減關斷電流？其實就的MOS開通的功率P1與MOS關斷時功率P2的之和！其實最終的表達式Pin=Ui*Io 

１、錯了。。。改正

２、為了將i2帶入功率表達式積分，我是寫出的從Ton到Tr之間電流瞬時值的表達式

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2011-05-27 00:22
@amonson
１、錯了。。。改正２、為了將i2帶入功率表達式積分，我是寫出的從Ton到Tr之間電流瞬時值的表達式

 暈，你改了 我也得改了。

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amonson
LV.8
26
2011-05-27 00:26
@高等數(shù)學
 暈，你改了我也得改了。
我又改了
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2011-05-27 11:25
@wuzhonggui
來晚了！支持！
d ing
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amonson
LV.8
28
2011-05-27 19:57
@amonson
書上的公式：[圖片] 這本書所有的公式推導都是根據(jù)能量守恒定律來的，很符合我的胃口。當年我?guī)煾到?jīng)常說，電源和通信最根本的區(qū)別就在于一個傳遞能量另一個傳遞信息，某些局部電路是可以通用的。電源最核心的功能就是傳遞能量和調整電壓，雖然反饋過程中也需要傳遞信息；通信最核心的功能是傳遞信息，雖然攜帶信息必須有能量，編解碼過程也有電平轉換。選擇拓撲第一考慮的就是能量傳遞方式，至于電壓變換，很多不同拓撲都可以得到同樣的效果，確定能量傳遞方式后再根據(jù)成本，體積，可靠性等多個方面進行最后篩選。

繼續(xù)DCM模式的公式推導，書上的公式都是通過狀態(tài)分析得到的，沒有進行瞬態(tài)分析，上圖：

 

 

PWM的核心就是脈寬調制，這也是起調節(jié)輸出能量的唯一方式，所謂CCM工作模式下的Buck電路D不變僅僅是因為在一段時間內D保持開關頻率（有電流前饋）或反饋頻率（僅有電壓反饋或電流反饋）的增大或減小，其平均值保持不變，如果D出現(xiàn)了低頻周期性變化，就是所謂的低頻震蕩了。

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amonson
LV.8
29
2011-05-27 21:09

第一章，開關電源的起源和非隔離的典型拓撲就已經(jīng)介紹完了，但是基于安全的考慮，除了安全的直流供電之外，這些非隔離拓撲只能作為一個完整系統(tǒng)的部件存在，對于交流市電輸入用戶可接觸輸出的電源，我們必須使用電隔離措施。電隔離的基本拓撲包括PUSH-PULL、FORWORD、HALF-BRIDGE、FULL-BRIDGE、FLYBACK。首先是PUSH-PULL：

 

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amonson
LV.8
30
2011-05-27 23:31
@amonson
第一章，開關電源的起源和非隔離的典型拓撲就已經(jīng)介紹完了，但是基于安全的考慮，除了安全的直流供電之外，這些非隔離拓撲只能作為一個完整系統(tǒng)的部件存在，對于交流市電輸入用戶可接觸輸出的電源，我們必須使用電隔離措施。電隔離的基本拓撲包括PUSH-PULL、FORWORD、HALF-BRIDGE、FULL-BRIDGE、FLYBACK。首先是PUSH-PULL：[圖片] 

DCM工作方式下的電感電流波形及能量公式：

 

 

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amonson
LV.8
31
2011-05-31 19:22
@amonson
DCM工作方式下的電感電流波形及能量公式：[圖片]  

對比Push-Pull和Buck-Boost的能量公式不難發(fā)現(xiàn)，Push-Pull相當于讓Buck-Boost磁芯工作在雙向勵磁狀態(tài)，所以Push-Pull拓撲一旦進入CCM工作模式后，其占空比也僅于輸入輸出電壓比和匝比有關而和負載無關。

 

同時這里解釋了伏/匝的物理意義，其表征的是磁通變化率

 

所以，如果忽略變壓器損耗的話，其一次側伏/匝必須等于二次側伏/匝。這里就牽扯到多繞組輸出的問題了，如果電路工作在DCM狀態(tài)，輸出負載的變化將直接導致占空比發(fā)生改變，那么多組輸出時無反饋的輸出電壓將會隨主輸出負載的增加而增加。

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