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开关电源设计中的矛盾与折中

分类名:经验日期:2018-10-26作者:木犯001号
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概述        
    设计开关电源是个充满矛盾的过程,鱼和熊掌不可得兼,需要平衡折中各种指标,这个火候的掌握和拿捏需要大量经验。前面谈了优化,现在谈折中,有时反而需要减少优化程度,真是奇妙啊!   

     
1、稳态性能与动态性能的折中        
    很多功率级拓扑,其稳态性能与动态性能通常难以兼顾,稳态性能好,动态性能就差,动态性能好,稳态性能就差。这种例子非常多,所以选择拓扑时,一定要根据要求和应用场合来合理选择。        
    即使同一个拓扑,其功率级参数设计时,也要考虑稳态性能和动态性能的折中。如:输出滤波器电感的设计,对效率而言,希望其越大越好,但对动态性能而言,则希望其小一点好,所以设计时需要折中。    

    
2、功率密度与可靠性的折中        
    很多有更高功率密度的拓扑,其实现时会比较复杂,而且往往拓扑本身还有可靠性较低的隐患,所以,选择拓扑结构时也要根据可靠性和性能来进行具体折中。如一些实现软开关的拓扑,一般可实现更高的开关频率,具有更高的功率密度,但他们在实现的产品中,可靠性往往较低。      

  

3、小信号性能与大信号性能的折中        
    在一个电源中,有很多性能需要满足,利用不同的控制策略,不同的补偿电路会得到不同的动态性能。有些控制策略或参数对输入端的扰动具有较强的抑制能力,有些则对负载端的扰动具有较强的抑制能力,有的参数对小信号动态稳定性很好,但在大信号下,其可能不稳定,有的参数能满足大信号的要求,但小信号下其会变差,因此,要对大小信号的动态设计进行折中。        


4、高低温下的设计折中   
     
    在一个电源中,因各种参数都是与其工作时的温度有关,所以必须找出一组参数能在全部环境温度范围内满足所有性能指标,这需要做很多折中。   

     
5、电性能与热性能之间的折中        
    在一个电源中,电性能(如电应力和性能)与热性能之间的要求是矛盾的。为了获得好的EMI和低的电应力,希望功率元器件的回路尽量小,但这会使得各元器件之间的热影响更厉害,各元器件的损耗会更大。将各功率元器件之间的回路加大,可减小这种热影响,改善热设计,但因寄生参数的增加,会使器件的电应力增加,效率变低,EMI性能变坏,所以,电源中热与电两个设计是非常需要折中的。        


6、关键部件的折中        
    在开关电源中,有一些关键部件,在设计时需要折中。如:功率变压器的设计,对稳态效率性能而言,在变比等已经最优化后,希望其漏感最小,但在实现漏感最小的同时,往往会增加绕组之间的分布电容,这通常会增加共模EMI干扰和降低安全性。       
 

    另外,如驱动能力的折中。为了减小功率开关器件(MOSFET)的开关损耗,希望其开关过程尽量短,这可通过减小门级驱动电阻来实现,但在开关速度提高的同时,往往会增加电源的共模EMI,使得EMI特性变差。        


7、其他折中        
    做好一个开关电源,还有很多其他折中要做,总之,因为开关电源是一个在一定边界(由输入电压、负载电流和环境温度组成的长方体)之内,满足规格书要求的功率电子产品,既有功率处理和信息处理,又有热处理,所以,为了做好这样的产品,必须要做很多很多的折中。这要求开发人员了解如何在折中的基础上优化,在优化的基础上折中,使开发的电源产品达到最佳的性价比。
        

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