《开关电源仿真与设计》-电源变换器简介

戈壁滩上的辉煌

《开关电源仿真与设计》-电源变换器简介 [复制链接]

        在电子设计中，仿真技术已成为不可或缺的一部分。本章详细阐述了仿真技术对于开关电源设计的重要性。通过仿真，设计者可以在不浪费实际资源和时间的情况下，对电路进行验证和优化。此外，仿真还有助于深入理解电路的工作原理和性能特点，为实际设计提供有力支持。

        SPICE软件是一款成功的仿真软件，具有友好的用户界面。它可以帮助设计者快速抓住电路的全部含义，观察要构建的电路并考察所有参数。对于电源设计者和初学者来说都很有用。通过仿真技术，可以避免时间和金钱的浪费，快速测试和评估设计思想，进行实验前的仿真测试，以及进行假设性实验。SPICE可以让设计者安全地进行各种实验，提供各种答案。

引出本章想要了解的内容，什么是变换器？开篇即明确了电源变换器在电子系统中的重要地位，它作为连接电源与负载的桥梁，负责将一种形式的电能转换为另一种形式的电能，以满足不同电路和设备的供电需求。随后，介绍了开关电源与线性电源的区别，强调了开关电源在转换效率、功率密度等方面的优势。

        在电子设计与应用中，面对多样化的电路需求，特别是当这些电路对电源电压有着不同且特定的要求时，如何有效地管理和分配电源成为了一个关键问题。在这种情况下，变换器（也称为稳压器或电压转换器）的引入显得尤为关键。变换器（Voltage Converter）是一种电子电路或设备，其主要功能是将一种电压水平转换为另一种电压水平，以满足不同电路或设备的供电需求。这种转换可以是升压（将低电压转换为高电压），也可以是降压（将高电压转换为低电压），甚至在某些特殊情况下，可以实现电压的极性转换（如将正电压转换为负电压）。

类型

电阻分压器

        电阻分压器是一种简单的电压变换电路，通过串联的电阻网络将输入电压分压，从而得到所需的输出电压。其基本原理基于欧姆定律，即电流通过电阻时会产生电压降。电阻分压器适用于对电压精度要求不高、负载电流较小的场合。然而，由于电阻本身会消耗功率（即产生热量），因此在大电流或高效率要求的场合下，其效率较低，不适合作为主要的电源变换方式。

线性调压器

        线性调压器是一种通过调整晶体管（如BJT或MOSFET）的工作状态来稳定输出电压的电路。它利用晶体管的线性放大区或饱和区特性，将输入电压的一部分能量转换为热能，从而实现对输出电压的精确控制。线性调压器具有电路简单、输出电压稳定、纹波小等优点。然而，由于其工作原理决定了它必须消耗额外的功率来维持输出电压的稳定，因此在输入电压与输出电压差值较大时，其效率会显著降低。线性调压器通常采用负反馈机制来提高输出电压的稳定性。通过比较输出电压与参考电压的差值，并调整晶体管的工作状态来减小这个差值，从而实现输出电压的精确控制。线性调压器并不适合做高频变换,除非Vout与Vin之间的电压减小到几百毫伏。不过线性调压器能很好地抑制纹波,可以在有较大噪声的输出线路上用做滤波整流器。它们对A/D变换器之类的噪声敏感电路供电是安全的。

开关电源

        开关电源是一种利用开关元件的通断来控制电能变换的装置。它通过将输入电压转换为高频方波（或脉冲），再通过变压器、整流滤波等电路将高频方波转换为所需的直流电压或交流电压。开关电源的核心在于通过控制开关元件的通断时间（即占空比）来调节输出电压的大小。

        PWM控制是开关电源中最常用的控制方式之一。它通过调整开关元件的通断时间（即脉冲宽度）来控制输出电压的大小。PWM控制具有响应速度快、控制精度高等优点。PFM控制是通过改变开关元件的开关频率来调节输出电压的大小。虽然PFM控制在某些应用场合下具有优势（如轻载时效率较高），但其控制精度和稳定性通常不如PWM控制。为了兼顾PWM控制和PFM控制的优点，一些先进的开关电源采用了混合控制方式。即在不同的负载条件下选择不同的控制策略，以达到最优的性能表现。

        开关器件的损耗核心在于导通损耗与开关损耗。导通损耗，顾名思义，即半导体处于稳定导通或断开状态下的能量消耗，计算相对直接。而开关损耗则复杂得多，它涉及半导体在导通与断开状态间转换时的能量损失，这一过程又称接通或关闭损耗。由于状态转换时间受驱动阻抗及器件内部寄生元件（如电感、电容）的复杂影响，精确解析开关损耗仍是一大挑战。因此，通过原型电路的实测成为评估开关损耗的关键手段。相较于开关损耗，导通损耗的计算在简单结构如降压变换器中较为直接，关键在于确定器件导通时的均方根电流，同时忽略断开状态下的漏电流（需注意，此假设在特定情境下不适用，如肖特基二极管）。在降压、升压或升降压变换器系统中，有源与无源元件的动态电阻对电感、功率开关、输出电容及续流二极管的均方根电流变化尤为敏感。

升压变换器

        升压变换器，作为间接能量传输变换器的一员，其供电机制巧妙地融合了能量的蓄积与释放。在开关闭合之际，电感承担起储能的重任，而输出电容则独立为负载供电，确保电流的稳定流动。当开关断开，电感中蓄积的能量与输入电源携手，共同为输出端注入强劲动力。然而，这一机制伴随着固有的转换滞后，特别是在面对输出功率的突发需求时，变换器需通过延长导通周期，预先增强电感的储能能力，以应对即将到来的能量需求高峰。若功率需求增长平缓，给予电感电流足够的建立时间，即便在开关断开期间电流有所衰减，输出电压亦能保持稳定。反之，若功率需求骤增，电感电流难以迅速攀升至理想峰值，输出电压便会出现波动。这一过程，即能量的蓄积与释放，为开关电源的设计与仿真带来了挑战，特别是在小信号传输函数中，以右半平面零点(RHPZ)的形式显著影响着电路的动态响应。值得注意的是，升压变换器在开关的每一次开闭中，均从电源汲取电流，与降压变换器仅在开关闭合时取电不同。在开关断开时，电感通过输出网络释放能量，这种独特的电路结构赋予了CCM升压变换器非脉冲式的输入电流特性，极大地降低了输入电流的纹波，实现了更为平稳的电流传输。

        升压-降压变换器的原理基本相似，结构发生一些小变化即可：

        开关模式变换器存在固有的噪声，会对共用同一电源的设备产生干扰。在汽车应用、长距离通信设备、测量装置等场合特别明显。需要在电源输出与变换器输入之间插入一个滤波电路，大多数情况下是电磁干扰(EMI)滤波器。在闭环系统中，反馈环路总是努力去保持电路的输出功率恒定。在变换器中串联一个电表，可以观察到当输入电压增加时，输入电流变小，当输入电压下降时，输入电流变大。这说明电源努力去保持输出功率恒定，而变换器在输入端表现为负阻。在开环工作的同一变换器中没有负输入阻抗。

        本章深入探讨了开关电源设计中的几个核心要点。首先，强调了线性调节器在效率上的局限性，指出通过保持低输入输出压差可提升其效率。随后，详细阐述了开关调压器的基本原理，包括单开关结构、方波输出的滤波需求及电流连续性的重要性。此外，本章还分析了电感电流在不同模式下的行为，特别是连续导通模式(CCM)、非连续导通模式(DCM)及边界导通模式(BCM/CRM)的特点。最后，总结了降压、升压及降压-升压三种基本变换器结构，并扩展至更复杂的拓扑，同时指出了开关模式变换器固有噪声问题及滤波器设计的挑战，包括滤波器与变换器之间的谐振冲突及通过阻尼元件进行振荡抑制的策略。

SongXL

开关电源技术贴，我还有好多搞不懂的，还是要多学习呀，非常棒，给赞！

qzgiky

电源是电子电器的基础，需要电的就离不开电源，多学习多提高。