开关电源闭环设计详细说明
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。
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。
开关电源环路设计与实例详解
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第六章
反馈环路的稳定
具有 !"#$%&" 倍频程的增益变化。
图 ’ ( ! （ )） 有 ( !"#$%&" 倍频程的增益， 如果每 &" 倍频程有 *+ 积分电路在超过 ! , - &%! !"& #& 时， 则这条直线的斜率为 ( &。这种电路被称为 ( & 斜率电路。 （ .） !"#$ 的线性衰减， *+ 微分电路有 / 增益逐渐接近于 "#$。如果每 &" 倍频有 !"#$ !"#$%&" 倍频程的增益。在 ! 0 - &%! $ +! - "!， !"! #! 处， 的线性增加， 则这条直线的斜率为 / &。这种电路称为 / & 斜率电路。 （ 1） （ "3 2+ 滤波器在临界阻尼 的条件下， 直到转折频率 & 145 - &%! 增益为 "。频率超过 & 145 后， 开始以 ( 6"#$% - !% 3 % # 3 ） ! !% 3 # 3 ， 当频率每 &" 倍频增加的时候， 阻抗 $ 2 和 $ 1 分别以 &" 倍增加和 &" 倍频程的速率衰减。这是因为， 减少。如果每 &" 倍频程有 !"#$ 的衰减， 则这条直线的斜率为 ( &， 每 &" 倍频程有 6"#$ 的衰减， 则这 条直线的斜率为 ( !。这种电路称为 ( ! 斜率电路
一个典型正激变换器的闭环反馈环路
开关电源反馈环路设计
开关电源反馈环路设计开关电源是一种将输入直流电压转换为所需输出电压的电源装置。
为了实现稳定可靠的输出电压，开关电源需要建立反馈环路进行控制。
开关电源的反馈环路主要包括内部反馈环路和外部反馈环路。
内部反馈环路是指内部电路中的反馈控制电路，用于控制开关管的导通与截止，以维持输出电压的稳定。
外部反馈环路是指从输出端以回路的形式连接到内部反馈电路，通过比较输出电压与参考电压的差异，产生一个控制信号，用于调整开关电源的开关时间和频率，从而调整输出电压。
设计开关电源的反馈环路时，需要考虑以下几个方面：1.选择合适的参考电压源：参考电压源是反馈环路的重要组成部分，它提供一个稳定的参考电压，用作与输出电压进行比较的基准。
一般可选择使用稳压二极管、参考电压芯片或者精密电位器来作为参考电压源。
2.设计错误放大器：错误放大器是反馈环路中的核心部分，它承担着将输出电压与参考电压进行比较的作用，并产生一个误差信号。
常见的错误放大器有比较器、运算放大器等。
在设计选择错误放大器时，需要考虑它的稳定性、带宽、输入阻抗等因素。
3.设计补偿网络：由于开关电源在转换过程中存在一定的延迟、输出的电压下降等因素，所以需要通过补偿网络来减小这些不稳定因素对输出电压的影响。
常见的补偿网络包括零点补偿网络和极点补偿网络。
零点补偿网络主要通过增加相位较大的零点，来提高系统稳定性；极点补偿网络主要通过增加相位较小的极点，来提高系统的相位裕度。
4.设计输出滤波器：开关电源的输出电压通常包含一定的纹波，需要通过输出滤波器来降低纹波，使输出电压更加稳定。
输出滤波器一般由电感、电容和电阻组成，通过调整它们的数值和组合方式，可以实现对纹波的去除或衰减。
在进行开关电源反馈环路的设计时，还需要进行一系列的仿真和实验，包括频率响应的模拟分析、稳态和动态的性能测试等，以确保设计的反馈环路能够实现对输出电压的稳定控制。
总之，开关电源的反馈环路设计是一项复杂的任务，需要综合考虑电源的性能要求、稳定性要求和实际应用需求等因素，通过选择适当的参考电压源、设计错误放大器、补偿网络和输出滤波器等，来实现对输出电压的稳定控制。
最详细的开关电源反馈回路设计
最详细的开关电源反馈回路设计开关电源是一种常用的电源供应方式，具有高效率和稳定输出电压的特点。
为了确保开关电源能够稳定工作，需要设计合理的反馈回路。
开关电源的反馈回路是一个闭环控制系统，通过对输出电压进行采样，与参考电压进行比较，计算出误差信号，再经过调整和补偿，使得输出电压稳定在设定值。
首先，需要选择合适的反馈控制策略。
常用的反馈控制策略有电压模式控制（Voltage Mode Control）和电流模式控制（Current Mode Control）。
电流模式控制具有更快的动态响应和更好的稳定性，但需要更复杂的设计和调试，因此在设计中需进行合理选择。
在电压模式控制中，可以使用一个误差放大器进行电压比较，产生误差信号。
误差放大器一般采用差分放大电路，通过输入电压和参考电压的差值乘以一个放大倍数，生成一个调整后的误差信号。
误差放大器的输出信号会经过一个滤波器进行滤波处理，以消除高频噪声。
接下来，需要设计一个比例积分（PI）控制器。
PI控制器可以提供稳定的、无超调的输出响应。
PI控制器的输入是经过滤波器处理后的误差信号，根据误差的大小来调整控制器的输出。
比例增益（Kp）决定了控制器对误差的响应速度，而积分时间常数（Ti）决定了控制器对误差的积分时间，即系统的稳定性。
在设计PI控制器时，可以根据经验公式来选择合适的参数。
通过实际测试和调整，可以优化控制器性能，使得开关电源的输出电压更加稳定。
最后，需要对开关电源进行保护设计。
开关电源反馈回路应具备过压保护、过流保护和短路保护等功能。
过压保护可以避免输出电压过高，过流保护可以防止过大的输出电流，短路保护可以防止输出端短路。
总之，开关电源反馈回路设计需要合理选择控制策略，设计误差放大器和滤波器、PI控制器，并进行参数调整和保护设计。
通过以上步骤，可以设计出稳定可靠的开关电源反馈回路。
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。
开关电源控制环路设计（初级篇）
开关电源控制环路设计（初级篇）电源联盟---高可靠电源行业第一自媒体在这里有电源技术干货、电源行业发展趋势分析、最新电源产品介绍、众多电源达人与您分享电源技术经验，关注我们，搜索微信公众号：Power-union，与中国电源行业共成长！开关电源控制环路设计（初级篇）1、环路和直流稳压电源的关系稳压电源工作原理我们需要什么样的电源？原文档:开关电源控制环路设计（初级篇）下载方法：请看文章底部第一条留言2、与环路相关的基本概念电源系统框图Bode图（由奈奎斯特图测定稳态裕量是很麻烦的）穿越频率和相位裕量，增益裕量■ 穿越频率fc（crossover frequency）:增益曲线穿越0dB线的频率点■相位裕量phase margin）:相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差■增益裕量(Gain margin):增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益环路稳定性判据根据奈奎斯特稳定性判据，当系统的相位裕量大于0度时，此系统是稳定的。
■ 准则1：在穿越频率处，总开环系统要有大于30度的相位裕量；■ 准则2：为防止-2增益斜率的电路相位快速变化，系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1（ -20db/10倍频程) ■ 准则3: 增益裕量是开环系统的模的度量，该变化可能导致曲线刚好通过-1 点。
一般需要6db的增益裕量。
备注：应当注意，并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率为必须为-1，但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕量，使系统保持稳定。
要满足上述的3个准则，我们需要知道开环系统所有环节的增益和相位情况，引入传递函数，零极点的概念可以很好的分析这个问题。
传递函数零点极点如果输入和反馈支路是由不同的电阻和电容构成的，则幅频和相频曲线将会有许多种形式。
把阻抗Z1和Z2用复变量s(s=jw)表示，经过一系列的数学运算，将会得到传递函数。
开关电源控制环路如何设计
2.1 传输函数和博得图
系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。
在闭环系统中，VCOMP与ISENSE维持同样的电平。因此，IPRIMARY被VCOMP有效的调节：
从ISECONDARY以后(见图9)，副边电流或者说输出电流与主边电流成比例，把等式(4)重新排列表示出副边电流与VCOMP之间的关系。结合等式(3)和(6)得到PWM部分的传输函数：传输函数G2(s)仅包含增益没有相移。
2.2 极点
数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。
2.3 零点
零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。
开关电源控制环路如何设计
1. 绪论
在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。
【干货分享】开关电源环路补偿设计步骤讲解
【干货分享】开关电源环路补偿设计步骤讲解1.对于硬件工程师来说，开关电源和运放的信号处理电路是最常遇到的，都是典型的带负反馈的闭环控制系统。
因此，这两类电路设计的稳定性和控制理论密切相关。
简化的闭环控制系统框图如图1所示，被控对象的传递函数为H，反馈部分的传递函数为G。
图1以上各式中的GH一般称为系统的环路增益或者开环增益。
根据式（2）可知，当1+GH=0，即GH=-1时，意味着环路增益为1，相位滞后180°，系统不稳定发生自激振荡。
当然也可以从另一个角度进行理解，系统发生自激振荡时，不需要输入量Xi，即净输入量，可得GH=-1，即反馈量Xf和输出量Xo形成彼此互相维持的关系。
从稳定性条件出发，我们可以知道环路增益小于1时系统可以稳定，相位滞后不到180°时系统可以稳定。
这表明左半平面的极点和零点都在某一方面提升稳定性，另一方面降低稳定性。
比如左半平面极点可以使增益降低，这能提升稳定性；但是极点增加了相位滞后，这降低了稳定性。
比如左半平面零点使相位超前，这能提升稳定性；但是零点使增益增加，这降低了稳定性。
只有右半平面零点是最特殊的，增加增益的同时相位滞后，这会加剧系统不稳定。
根据控制理论的稳定性条件可知，相位裕量至少为45°，转化为伯德图的话，就是要求在增益为0dB时的穿越频率处，斜率应该为-20dB/decade，即负20dB每十倍频，或斜率为，两者等价。
根据式（3）可知，当GH>>1时，即引入深度负反馈后，Xf=Xi。
这就是为什么运放的虚短需要在引入深度负反馈时才成立的原因。
由于运放本身的开环放大倍数H已经非常大，引入负反馈后一般都能满足深度负反馈的要求。
根据式（4）可知，如果想要直流稳态误差为0，则应满足。
这就是为什么控制系统的低频环路增益（开环增益）要尽量大的原因，这点在开关电源环路设计中很重要。
对于一般的运放电路而言，图1即是其控制系统框图。
而开关电源的系统框图则较为复杂，如图2所示，可以将PWM调制器，开关管和LC滤波器合并统称为功率级，用H表示，误差补偿器用G表示，反馈分压系数用k表示，实际设计中我们经常将k和G合并在一起称为G，则简化后的框图和图1类似，环路增益为GH。
开关电源环路系统的原理(一)
开关电源环路系统的原理(一)开关电源环路系统1. 介绍•开关电源环路系统是一种将交流电源转换为直流电源的电路系统。
•开关电源的环路系统是指由开关电源控制器、功率开关和输出滤波器等组成的闭环反馈控制系统。
2. 开关电源的工作原理•开关电源环路系统使用开关器件（如晶体管或MOSFET）进行开关操作，通过不断开关来控制输入电源的输出。
•工作周期内包含两个状态：开和关。
在开的状态下，输入电源的能量储存在电感中；在关的状态下，通过电路设计实现能量的转移和输出。
3. 开关电源环路系统的组成部分开关电源控制器•开关电源控制器负责监测和控制开关电源的运行状态。
•它通常由微控制器或专用芯片实现，可以监测输出电压、电流和温度等参数，并根据需要调整开关操作和控制回路。
功率开关•功率开关是开关电源环路系统的核心部件，它负责打开和关闭电路，控制能量的流动。
•常见的功率开关器件有晶体管、MOSFET和IGBT等，根据应用需求选择合适的器件。
输出滤波器•输出滤波器用于平滑开关电源的输出电压，将其转换为稳定的直流电压。
•常见的输出滤波器包括电感和电容，通过它们的组合设计，可以减小输出波动和噪声。
4. 开关电源环路系统的工作流程1.开关电源控制器读取输出电压和电流的反馈信息。
2.根据设定值和反馈信息，控制器计算并生成适当的控制信号。
3.控制信号被发送到功率开关，使其在合适的时机开关。
4.开关操作导致能量从输入电源转移到输出滤波器。
5.输出滤波器将转换后的直流电压传递到负载。
5. 开关电源环路系统的优势•高效率：由于开关操作的特性，开关电源环路系统通常具有较高的转换效率。
•稳定性：通过闭环反馈控制，开关电源环路系统可以实现良好的稳定性和响应性。
•尺寸小巧：相对于传统的线性电源系统，开关电源环路系统可以实现更小巧的设计。
6. 总结•开关电源环路系统是一种将交流电源转换为直流电源的闭环反馈控制系统。
•它由开关电源控制器、功率开关和输出滤波器等组成。
开关电源闭环系统..
注：表格内1、2、是指相对编号的波特图
量测增益裕量和相位裕量
相位裕量在转折频点Fc和频点以下的频段都应保持大于45°。
大的带宽代表更快的瞬态响应，大的相位余度代表瞬变过程的过冲更小。
仿真SPICE与实际ACTUAL
稳定度仿真是透过计算预测增益裕量和相位裕量，在 实际对一个UPS的局部开关电源，输出DC40V的电池充电回 路，做仿真与实测比较后，结果如下： 仿真：相位裕量度65° 增益裕量-15dB 实际：相位裕量度88° 增益裕量-33dB
微小并的注入讯号分离出来进行分析。
藉由显示增益和相位，波德图（bode plot graph）或是各频点的增益和相 位列表。PSM2200/1700 直接提供工程师开关电源闭回路增益裕量度和相 位裕量度数据与图表。 工程师在修改过补偿电路之后再执行扫频观察修改 的效果。
组建量测系统
接线设置
多组输出的量测
PSM2200/1700波德图
反馈回路稳定性分析方法
时域分析： 1. 跳载（阶跃，load switching），瞬时加减载观察暂态响应 2. 注入方波，注入方波信号观察输出波形试误（trial-and-error） 频域分析：
1. 仿真（Spice），以计算机模拟出波特图观察增益相位余量
2. 频响分析（FRA）,是以扫频信号方式真实量测环路中的增益相
位余量及波特图分析
波特图Байду номын сангаас
最详细的开关电源反馈回路设计
最详细的开关电源反馈回路设计一、开关电源的基本概念开关电源，简单来说，就是一种通过开关元件来控制能量转换的电源。
它不像传统的线性电源那么笨重，能效高，体积小，深受大家喜爱。
开关电源的核心就是那些高频开关信号，通过快速开关，能把输入的直流电转换成稳定的输出电压。
1.1 开关电源的工作原理说到工作原理，真的是“门槛低，深度高”。
我们先来看输入电压，经过整流、滤波，变成直流电。
然后，开关元件会以特定频率开关。
这个频率一般在几十千赫兹到几百千赫兹之间。
高频率的好处是能使变压器体积缩小，同时减小电感和电容的体积。
最终，通过整流和滤波，就得到了我们需要的稳定输出电压。
1.2 反馈回路的重要性接下来，得提一下反馈回路。
没有反馈，开关电源就像无头苍蝇，根本无法稳定输出电压。
反馈回路负责实时监测输出电压，确保输出与设定值一致。
反馈信号通过调节开关元件的导通时间来调整输出。
这样一来，开关电源就能适应不同的负载变化，保持稳定，真的是妙不可言。
二、反馈回路的设计要点反馈回路设计，就像做菜，火候掌握得好，味道自然出众。
咱们可以从几个方面来聊聊。
2.1 选择反馈类型首先，得决定用什么样的反馈类型。
可以是电压反馈，也可以是电流反馈。
电压反馈比较常见，它能更好地保持输出电压的稳定性。
而电流反馈则适用于对过载保护有要求的场合。
不同的场合选择不同的反馈类型，才是“量体裁衣”。
2.2 确定控制策略控制策略也是设计中的重中之重。
常见的有脉宽调制（PWM）和脉频调制（PFM）。
PWM适合需要高效率的场合，而PFM则在负载较轻时表现出色。
选择合适的控制策略，能让电源在不同条件下都能表现如鱼得水。
2.3 稳定性分析稳定性分析可以说是设计反馈回路的“必修课”。
要确保系统在负载变化或输入电压波动时，输出电压能快速恢复。
常用的方法包括Bode图分析和根轨迹法。
这些分析能帮助我们识别潜在的问题，确保反馈回路的稳定性，真是一项不可忽视的工作。
三、元器件的选择设计反馈回路，离不开元器件的选择。
开关电源环路设计
开关电源环路设计1 功率变换部分的小信号模型1.1 电压型控制1.1.1 开关电源的控制框图：Vg M1L1检测1.1.2 电压型开关电源电路小信号模型的传递函数：控制对输出：Gvd(s)=v/dG vd s ()G d01s ωz -1s Q ω0⋅+s ω0⎛ ⎝⎫⎪⎭2+⋅1.2 电流型控制Vg M1L1补偿网络检测电1.2.1 电流型的小信号模型的简化传递函数（电流连续）：BUCK Gvc(s)=R/(1+s*R*C)BOOST Gvc(s)=D’*R/2*(1-s*L/D’2/R)/(1+s*R*C/2)BUCK-BOOST Gvc(s)=-D’*R/(1+D)*(1-s*D*L/D’2*R)/[1+s*R*C/(1+D)]2 补偿网络的形式：2.1 超前补偿（PD）：Gc(s)=Gco*(1+s/Wz)/(1+s/Wp)常用于包含双极点的系统中，如BUCK电路，能增加环路带宽，同时保持适当的相位裕度。
低频零点Wz使补偿网络Gc的幅值随频率+20dB/dec增加，为此，要引入一个频率高一点的极点Wp来抵消Wz 在高频段的作用。
相位补偿最大处在fphmax=sqrt(fz*fp)，对应的幅值补偿是Gc*sqrt(fp/fz)。
为使补偿后，环路在fc处有最大的相位补偿，则补偿网络中的fz、fp按如下计算：fz=fc*sqrt[(1-sin(θ))/(1+sin(θ))] fp=fc*sqrt[(1+sin(θ))/(1-sin(θ))]2.2 滞后补偿（PI）：Gc(s)=Gc∞*(1+WL/s)常用于增加环路的低频增益，提高电源的稳压精度。
常用于具有单个极点的补偿，如电流型的补偿。
假设希望补偿后的开环传递函数的交越频率在fc，而未补偿的开环传递函数在fc处的增益是Tuo(dB)，则：Gc∞(dB)=-Tuo(dB)；补偿网络的转折频率fL应远小于fc，避免其对原有开环传递函数的相位裕度的影响，可以取fL=fc/102.3 超前滞后补偿（PID）：Gc(s)=Gcm*(1+WL/s)*(1+s/Wz)/(1+s/Wp1)/(1+s/Wp2)超前补偿用于增加相位裕度，滞后补偿用于提高稳压精度。
开关电源的环路设计
开关电源的环路设计开关电源的环路设计可以分为三个基本阶段：输入滤波、稳压电路和输出滤波。
输入滤波是为了保护开关电源不受到噪音干扰而设计的。
这是通过输入电容器和电感器形成的LC滤波器来实现的。
在输入电容器的两端串联一个电感器就可以构成LC滤波器。
LC滤波器的作用是隔离输入AC 信号，并将噪声信号注入到地线。
稳压电路是为了保持开关电源的输出电压稳定而设计的。
它包括一个误差放大器、一个脉冲宽度调制器和一个电感器滤波器。
误差放大器可以检测输出电压，如果电压低于设定值，误差放大器就调整PWM信号来增加输出电压。
PWM信号使开关管的工作周期保持不变，但占空比发生变化。
电感器滤波器可以使输出电压更平滑，减少负载干扰。
输出滤波器可以消除由于PWM信号引起的高频噪声，并将噪声杂波注入地线。
输出电容器和电感器可以形成LC滤波器，并且这种滤波器和输入LC滤波器类似，使高频噪声注入地线。
在开关电源的环路设计中，需要考虑的一个重要因素是交叉互干扰。
所谓的交叉互干扰是指输入、输出和控制信号之间的相互影响。
设计师应最小化电路中不同元件之间的电感和电容，以减少交叉互干扰的影响。
另外，还要注意开关电源在额定负载下的稳定性。
如果负载电流或电压波动严重，将会导致输出电压的变化。
为了保持稳定性，可以选择适当的高功率输出管，以及适当的补偿电路。
在实际设计中，环路设计需要考虑到许多因素，如高温和高频噪声等环境因素，以保证开关电源的安全和稳定性。
总之，开关电源的环路设计关键在于实现有效的输入和输出滤波，并确保稳压电路的可靠性和稳定性。
开关电源测试—闭环
开关电源测试一、开关电源工作原理1、开关电源是一种高频开关式的能量变换电子电路，常作为设备的电源供应器，常见变换分类有：AC-DC、DC-DC、DC-AC等。
2、开关电源原理框图（1） 市电进入电源后，首先经过是最前级的EMI滤波电路部份，EMI滤波的主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电磁干扰。
实际上它是利电感和电容的特性，使频率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，而高于50Hz以上的高频干扰杂波将被滤波器滤除。
（2） 经过EMI滤波，所得到较为平整的正弦波交流电被送入前级整流电路进行整流，整流工作都由全桥式整流二极管来担任。
经过全桥式整流二级管整流后，电压全部变成正相电压。
不过此时得到的电压仍然存在较大的起伏，这就必须使用高压滤波电容进行初步稳压，将波形修正为起伏较小的波形。
（3） 把直流电转化为高频率的脉动直流电，这一步由控制电路来完成。
输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。
控制电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。
（4） 把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压。
再由二极管和滤波电容组成的低压滤波电路进行整流和滤波就得到了设备上使用的纯静的低压直流电。
3、开关电源特点：（1） 开关电源是一种非线性电源，体积和重量轻。
（2） 功率晶体管工作在开关状态，晶体管上的功耗小，转化效率高。
二、开关电源测试方法1、测试项目：环路增益、输出阻抗、输出纹波、开关噪声等2、环路增益测试：开关电源电路可以看作是一个简单的反馈控制系统一个负反馈回路，闭环增益： ， ，当GH=-1的时候会产生自激(GH称为开环增益)。
分解为:幅度条件：|GH|=1、相位条件：GH的相位Φ=-180º开环特性是一个很重要的参数，表征反馈系统的稳定性。
通常用增益裕量和相位裕量来表示：增益裕量：Φ=-180º时，0-Gain(dB)相位裕量：Gain=0时，Φ-（-180º）通常用波特图来表示在测试开环特性时，开关电源应工作在闭环状态，以保证系统状态的稳定。
开关电源环路设计2
不可少的,因为没有ESR 的LC 滤波器相位滞后大。
6.4.12. Ⅲ型误差放大器电路、传递函数和零点、极点位置具有图6.41(b)的幅频特性电路如图6.42所示。
可以用第6.4.6节Ⅱ 型误差放大器的方法推导它的传递函数。
反馈和输入臂阻抗用复变量s 表示，并且传递函数简化为)(/)()(12s Z s Z s G =。
传递函数经代数处理得到 )]/((1)[1)((])(1)[1()()()(212123321133112C C C C sR C sR C C sR C R R s C sR s U s U s G in o +++++++== （6-69） 可以看到，此传递函数具有（a ） 一个原极点，频率为 )(212110C C R f p +=π （6-70） 在此频率R 1的阻抗与电容(C 1+C 2)的阻抗相等且与其并联。
（b ） 第一个零点，在频率 12121C R f z π= （6-71） 在此频率，R 2的阻抗与电容C 1的阻抗相等。
（c ） 第二个零点，在频率 31331221)(21C R C R R f z ππ≈+= （6-72） 在此频率，R 1+R 3的阻抗与电容C 3的阻抗相等。
（d ） 第一个极点，在频率 2221212121)]/([21C R C C C C R f p ππ≈+= （6-73） 在此频率，R 2的阻抗与电容C 2和C 1串联的阻抗相等。
（e ） 第二个极点，在频率 33221C R f p π= （6-74） 在此频率R 3的阻抗与电容C 3阻抗相等。
为画出图6.41(b)的幅频特性，以f z 1=f z 2，f p 1=f p 2选择RC 乘积。
双零点和双极点频率的位置由k 来决定。
根据k 获得希望的相位裕度。
图6.41(b)中误差放大器在希望的f c 0处以斜率＋20dB/dec 处的增益（图6.41(a)）令其等于LC 滤波器的衰减量，但符号相反。
开关电源闭环控制原理
开关电源闭环控制原理
前两期讲解了线性电源和开关电源的基本工作原理及其各自的特点分析，恰巧小编在闲逛的时候看到了一款开关电源的电路图的帖子，标题说是华为某款手机充电器原理图，那么本期就以此电路为内容做详细介绍，废话不说，直接上图：
图1 某开关电源电路图
帖子上说该电路的输出能力为5V-2A，那么我们从左往右看，首先是我们的市电AC220V电压经过了一个保险丝和压敏电阻送到了整流桥电路，整流桥输出的脉动电压经过π型低频滤波之后，变为了较为稳定的直流电。
在右侧有一个高频变压器，这个变压器有一个输入，两个输出，最右侧的线圈(5-6)为其中一个输出，它经过整流、滤波、稳压之后送到了对外接口上。
线圈(3-4)也是其中一个输出，这个输出端经过一个二极管整流之后为芯片IC1供电，同时这个线圈的输出电压经过分压之后送给了芯片IC1的电压采样端口。
从这个电路来看，IC1为这个DC-DC电源的控制元件，它将采样的电压(5脚)和内部参考电压对比之后产生一定占空比的PWM波，产生的PWM波进而驱动Q1开关管，Q1的开通和关断就使得高频变压器的一次侧线圈不断地充电、放电，进而将能量输送到二次侧。
这个电路是一个典型的闭环控制电路，线圈(3-4)为芯片IC1供电并提供反馈电压，IC1为闭环的控制器，它以占空比的方式控制开关管Q1的导通和关断，进而使得线圈(3-4)的输出电压稳定在一定的数值，线圈(5-6)和线圈(3-4)的匝数按一定的比值绕成，所以对线圈(3-4)电压的控制就是对线圈(5-6)电压的控制。
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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，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。
PWM控制芯片中包含了误差放大器和PWM形成电路。
控制芯片也提供许多其他的功能，但了解闭环稳定性问题，仅需考虑误差放大器和PWM。
对于输出电压U o缓慢或直流变化,闭环当然是稳定的。
例如输入电网或负载变化（干扰），引起U o的变化，经R1和R2取样（反馈网络），送到误差放大器EA的反相输入端，再与加在EA同相输入端的参考电压(输入电压)U ref比较。
将引起EA的输出直流电平U ea变化，再送入到脉冲宽度调制器PWM的输入端A。
在PWM中，直流电平U ea与输入B端0～3V三角波U t比较，产生一个矩形脉冲输出，其宽度t on等于三角波开始时间t0到PWM输入B三角波与直流电平相交时间t1。
此脉冲宽度决定了芯片中输出晶体管导通时间，同时也决定了控制晶体管Q1的导通时间。
U dc的增加引起U y的增加，因U o=U y t o n/T，U o也随之增加。
U o增加引起Us增加，并因此U ea的减少。
从三角波开始到t1的t on相应减少，U o恢复到它的初始值。
当然，反之亦然。
PWM产生的信号可以从芯片的输出晶体管发射极或集电极输出，经电流放大提供Q1基极驱动。
但不管从那一点－发射极还是集电极－输出，必须保证当U o增加，要引起t on减少,即负反馈。
应当注意，大多数PWM芯片的输出晶体管导通时间是t0到t1。
对于这样的芯片，U s送到EA的反相输入端，PWM信号如果驱动功率NPN晶体管基极（N沟道MOSFET的栅极），则芯片输出晶体管应由发射极输出。
然而，在某些PWM芯片（TL494）中，它们的导通时间是三角波U t与直流电平（U ea）相交时间到三角波终止时间t2。
对于这样的芯片，如果驱动NPN晶体管，输出晶体管导通（如果从芯片的输出晶体管发射极输出），这样会随晶体管导通时间增加，使得U o增加，这是正反馈，而不是负反馈。
因此，TL494一类芯片，U s送到EA的同相输入端，U o增加使得导通时间减少，就可以采用芯片的输出晶体管的发射极驱动。
图6.31电路是负反馈且低频稳定。
但在环路，存在低电平噪音电压和含有丰富连续频谱的瞬态电压。
这些分量通过输出L o,C o滤波器、误差放大器和U ea到U y的PWM调节器引起增益改变和相移。
在谐波分量中的一个分量，增益和相移可能导致正反馈，而不再是负反馈，在6.2.7节我们已讨论过闭环振荡的机理。
以下就开关电源作加体分析。
6.4.2 环路增益还是来研究图6.31正激变换器。
假定反馈环在B点－连接到误差放大器的反相输入端断开成开环。
任何一次谐波分量的噪声从B经过EA放大到U ea，由U ea传递到电压U y的平均值,和从Uy的平均值通过L o,C o返回到B b(正好是先前环路断开点)都有增益变化和相移。
这就是6.2.7讨论的环路增益信号通路。
如果假定某个频率f1的信号在B注入到环路中，回到B的信号的幅值和相位被上面提到回路中的元件改变了。
如果改变后的返回的信号与注入的信号相位精确相同，而且幅值等于注入信号，即满足GH＝-1。
要是现在将环闭合（B连接到B b），并且注入信号移开，电路将以频率f1继续振荡。
这个引起开始振荡的f1是噪声频谱中的一个分量。
为达到输出电压（或电流）的静态精度，误差放大器必须有高增益。
高增益就可能引起振荡。
误差放大器以外的传递函数一般无法改变，为避免加入误差放大器以后振荡，一般通过改变误差放大器的频率特性（校正网络），使得环路频率特性以-20dB/dec穿越，并有45°相位裕度，以达到闭环的稳定。
以下我们研究误差放大器以外的电路传递函数的频率特性。
1. 带有LC滤波电路的环路增益G f除了反激变换器（输出滤波仅为输出电容）外，这里讨论的所有拓扑都有输出滤波器。
通常滤波器设计时根据脉动电流为平均值（输出电流）的20%选取滤波电感。
根据允许输出电压纹波和脉动电流值以及电容的ESR选取输出滤波电容。
如果电解电容没有ESR（最新产品），只按脉动电流和允许纹波电压选取。
由此获得输出滤波器的谐振频率，特征阻抗，ESR零点频率。
在频率特性一节图6.7示出了LC滤波器在不同负载下的幅频和相频特性。
为简化讨论，假定滤波器为临界阻尼R o=1.0Z o，带有负载电阻的输出LC滤波器的幅频特性如图6.32(a)中12345所示。
此特性假定输出电容的ESR为零。
在低频时，X c>>X L，输入信号不衰减，增益为1即0dB。
在f0以上，每十倍频C o阻抗以20dB减少，而L o阻抗以20dB增加，使得增益变化斜率为－40dB/dec。
当然在f0增益不是突然转变为－2斜率的。
实际上在f0前增益曲线平滑离开0dB曲线，并在f0后不久渐近趋向－40dB/dec斜率。
这里为讨论方便，增益曲线突然转向－40dB/dec。
如果使相应于R o=1.0Z o条件下稳定，那么在其它负载也将稳定。
但应研究电路在轻载（R o>>1.0Z o）时的特性，因为在LC滤波器转折频率f= f0增益谐振提升。
o102 103 104 105 f/Hz 102 103 104 105 f/Hz(a) (b)图6.32 临界阻尼LC滤波器输出电容无ESR（a）和有ESR(b)幅频特性滤波电容有ESR 的LC 滤波器幅频特性如图6.35b 的曲线123456。
大多数滤波电容具有ESR 。
在f 0以上的低频段，容抗远远大于ESR ，从U o 看到阻抗仅是容抗起主要作用，斜率仍为-40dB/dec ；在更高频时，esrR C <<1，从输出端看的阻抗只是ESR ，在此频率围，电路变为LR 滤波，而不是LC 滤波。
即esresr in o f f j R L j U U G +=+==1111ω& （6-55） 式中转折频率f esr ＝R esr /（2πL ）。
在此频率围，感抗以20dB/dec 增加，而ESR 保持常数，增益以-20dB/dec 斜率下降。
幅频特性由-40dB/dec 转为-20dB/dec 斜率点为f esr ,这里电容阻抗等于ESR 。
ESR 提供一个零点。
转变是渐近的，但所示的突然转变也足够精确。
2. PWM 增益图6.32(a)中由误差放大器输出到电感输入电压U y 的平均值U aU 的增益是PWM 增益，并定义为G m 。
一般电压型控制芯片中误差放大器的输出U ea 与部三角波比较产生PWM 信号调整输出电压。
三角波的幅值0~3V(实际上是0.5~3V)。
如果芯片控制推挽（桥式、半桥）电路，变压器频率是芯片频率的一半，占空比D 随误差放大器输出可以在0~1之间改变。
如果是正激，只采用一半脉冲，占空度在0~0.5之间改变。
在图6.34b 中，当U ea ＝0，D =t on /T =0，在U y 的宽度为零， U aU 也为零。
如果U ea 移动到3V ，在三角波的峰值，t on /T =D =0.5，U y 的平均值就是U aU ＝（U sp -1）D ，其中U sp 是变压器次级电压，1为整流二极管压降。
则调制器的直流增益为U aU 与U ea 的比值3)1(5.0-==sp ea oU m V U U G （6-56） 此增益与频率无关。
3. 取样增益－反馈系数图6.31中还有一个增益衰减，就是R 1和R 2组成的采样电路。
大多数PWM 芯片的误差放大器的参考输入端不可能大于2.5V ，因此如果输出电压一旦决定，此增益即为212R R R U U G o s s +==（6-57） 如果输出5V ，采样电阻R 1=R 2，U s （U ref ）与U o 之间的增益为-6dB ，即1/2。
4. 输出LC 滤波器加上PWM 和采样网络的总增益G t如图6.33f 0转折为esr esr -20dB/dec 。
由这个曲线可以确定误差放大器的幅频和相频特性以满足稳定环路的两个判据。
6.4.3 误差放大器的幅频特性整形如果将开关电源的闭环作为一个放大器来研究，放大器输入信号为开关电源的参考电压。
从负反馈组态来说是一个电压串联负反馈。
这里误差放大器是一个同相放大器。
从误差放大器的同相端到误差放大器输出、PWM 发生、电源输出和取样返回到误差放大是反相输入端，在任何频率在增益下降到0dB 时附加相位移小于135°。
以下来讨论误差放大器的补偿。
为讨论方便，取样信号加在反相端，放大器输出总是反相，反馈信号返回到反相端附加相移不能超过135°,即45°相位裕度。
第一步首先建立穿越频率f c0，在此频率总增益为0dB 。
然后选择误差放大器的增益，迫使总环路增益在f c 0为0dB 。
下一步设计误差放大器的增益斜率，以使得总开环增益在f c 0以斜率-20dB/dec 穿越（图6.18）。