如何學(xué)習(xí)開關(guān)電源？從“大”到“小”學(xué)習(xí)開關(guān)電源...

/ 簡介 /

之前創(chuàng)建了開關(guān)電源研學(xué)群，為電源同行提供學(xué)習(xí)交流的平臺，也給大家推薦了更加高效的學(xué)習(xí)方法。

群內(nèi)有很多電源大佬，經(jīng)常給大家解答疑問，在此表示感謝；同時，群內(nèi)也不乏電源初學(xué)者甚至學(xué)生，由于缺乏經(jīng)驗或者方法，往往不知道該如何找到一個“起點”來學(xué)習(xí)開關(guān)電源...

此文，嘗試提供開關(guān)電源學(xué)習(xí)的“起點”，再提供一種從“大”到“小”的開關(guān)電源學(xué)習(xí)方法，期望為電源初學(xué)者提供一些學(xué)習(xí)思路...不敢指指點點，僅是指點...

/ 從 BUCK 開始學(xué)習(xí)開關(guān)電源？ /

此處，說明兩點建議從 BUCK 開始學(xué)習(xí)開關(guān)電源的理由：

(1) BCUK 電源拓撲相對簡單且應(yīng)用較為廣泛，基本所有的電子產(chǎn)品內(nèi)部都多少有 BUCK 電源存在，估計占了非隔離拓撲的半壁江山。

(2) 學(xué)會或精通了 BUCK 電源，容易擴展到其他拓撲；參考圖1、2、3，容易由 BUCK 得到 BOOST 和 BUCK-BOOST，電壓、電流、功率損耗等參數(shù)的分析方法也是類似的。

圖1 非同步 BUCK 電源拓撲

圖2 非同步 BOOST 電源拓撲

圖3 非同步反相 BUCK-BOOST 電源拓撲

/ “大”“小”是什么意思？ /

圖4 “大”信號功率傳輸、“小”信號控制環(huán)路

圖4，以 BUCK 電源為例，將整個電路分為“大”“小”兩個部分：

“大”是指大信號功率傳輸部分（英文稱為 Power Stage ，即功率級），主要包括高邊開關(guān)管、低邊開關(guān)管、功率電感、輸入輸出電容。

“小”是指小信號控制環(huán)路部分（英文稱為 Control Loop 或 Loop Compensation ），主要包括誤差放大器等。當然，還有一部分是其他輔助功能電路，如軟啟動、過壓保護、過流保護和過熱保護等，我們暫時不關(guān)心，實際應(yīng)用時根據(jù)規(guī)格書進行配置即可。

圖5 基于功能模塊抽象簡化的“大”“小”兩部分

圖5，將“大”“小”兩部分抽象簡化，去除芯片內(nèi)部復(fù)雜的邏輯電路，從宏觀角度認識 BUCK 電源。

圖6 基于傳遞函數(shù)抽象簡化的“大”“小”兩部分

圖6，基于傳遞函數(shù)的角度，“大”信號功率傳輸部分就是G(s)，“小”信號控制環(huán)路部分就是H(s)；所謂“大道至簡”，由此可見一斑，這大概可以認為是控制理論的縮影...包括 BUCK 電源在內(nèi)的所有電源都是負反饋控制系統(tǒng)。

/ 從“大”到“小”學(xué)習(xí)開關(guān)電源 /

4.1 “大”的學(xué)習(xí)方法

4.1.1 了解功率級設(shè)計的“起點”，即“設(shè)計需求Design Requirements”：如最基本的輸入電壓、輸出電壓、負載電流、開關(guān)頻率、紋波電壓等參數(shù)的要求；另外，還有兩個重要的參數(shù)是紋波電流系數(shù)、目標轉(zhuǎn)換效率。

圖7 設(shè)計需求Design Requirements

圖7，我們細心觀察TI電源規(guī)格書中給出的典型應(yīng)用實例，其“起點”基本都是“設(shè)計需求Design Requirements”，我將其稱為學(xué)習(xí)開關(guān)電源的“起點1”，它相當于產(chǎn)品定義，是我們以后學(xué)成歸來最后設(shè)計完成的開關(guān)電源應(yīng)該有的參數(shù)特性。

4.1.2 學(xué)習(xí)功率級的三個參數(shù)，即電壓、電流和功率。為什么要學(xué)習(xí)這三個參數(shù)呢？是為了下一步，使用這三個參數(shù)進行關(guān)鍵元器件參數(shù)選型。

4.1.3 如何學(xué)習(xí)電壓參數(shù)？

按“點”分電壓，BUCK電路有三個電壓節(jié)點，即輸入電壓節(jié)點、開關(guān)電壓節(jié)點和輸出電壓節(jié)點，這些電壓作為元器件耐壓值選型的依據(jù)。

以功率電感 L 為分割，與輸入電壓節(jié)點Vin和開關(guān)電壓節(jié)點Vsw有關(guān)的輸入電容、高邊開關(guān)管、續(xù)流二極管或低邊開關(guān)管，它們的最大耐壓值都需要大于等于輸入電壓最大值Vin,max；與輸出電壓節(jié)點Vout有關(guān)的輸出電容，其耐壓值需要大于等于輸出節(jié)點電壓最大值Vout,max（輸出電壓通常只關(guān)心典型值即可）。

圖8 《寶典》3.2 降壓電路中的電壓參數(shù)

4.1.4 如何學(xué)習(xí)電流參數(shù)？

按“支”分電流，BUCK電路有輸入電流、輸入電容電流、高邊開關(guān)管電流、續(xù)流二極管或低邊開關(guān)管電流、功率電感電流、輸出電容電流和輸出電流這7個電流分支；根據(jù)電流參數(shù)類型的不同有瞬時電流、直流電流、交流電流、紋波電流、峰值電流、谷值電流、平均電流、均方根電流或RMS電流這8個電流類型。

所以，綜合下來BUCK至少有5*7+2=37個電流參數(shù)（通常認為輸入電Iin流和輸出電流Iout僅有直流電流），這些電流作為元器件過流值選型的依據(jù)。

圖9 BUCK 電源各元件上的瞬時電流

什么是電流紋波系數(shù) r ？什么時候需要用到電流紋波系數(shù) r ？

電流紋波系數(shù) r 在電路正常工作中是恒定的還是變化的？

紋波電流 ΔIL 在電路正常工作中是恒定的還是變化的？

參考上述幾篇文章，BUCK 電源的電流參數(shù)也有一個“起點”，就是“電流紋波系數(shù) r ”，我將其稱為學(xué)習(xí)開關(guān)電源的“起點2”。

有了 r 以及“設(shè)計需求”中的輸入電壓、輸出電壓、負載電流和開關(guān)頻率這幾個參數(shù)，才能計算得到所需的功率電感值是多少。

有了 r 和負載電流，才能知道電路中的紋波電流大小是多少，才能知道電路在多大負載條件下工作在 CCM 模式、BCM 模式、DCM 模式...

有了 r 和負載電流，才能知道電路中輸入電容、高邊開關(guān)管、低邊開關(guān)管、功率電感上的峰值電流多大，才能知道輸出電容上的紋波電流多大...

最后，r 與紋波電流成正比，而紋波電流又與功率損耗成正比，更大的 r 也就會導(dǎo)致更大的功率損耗或更低的轉(zhuǎn)換效率...

圖10 《寶典》3.3 降壓電路中的電流參數(shù)

4.1.5 如何學(xué)習(xí)功率參數(shù)？

根據(jù)VI、(I^2)R以及積分等知識，學(xué)習(xí)掌握各元器件上的功率損耗，從而根據(jù) Ploss=Pin×(1-η) 或 Ploss=Pout×((1-η)/η) 評估整個 BUCK 轉(zhuǎn)換電路的效率。

如，BUCK 功率電感上的直流電阻損耗，就可以直接使用 (I^2)R 計算得到 (I_OUT^2×DCR) ；如，開關(guān)管上的導(dǎo)通損耗、截止損耗和開關(guān)損耗等，就需要通過積分方法得到...這些，《寶典》書中都會有詳細的公式表達...

這里可以說明的是，學(xué)會了各元器件上功率損耗的公式表達后，如果最后設(shè)計完成，經(jīng)過測試，轉(zhuǎn)換效率偏低，那么就可以根據(jù)各元器件的功率損耗占比，以及決定每種功率損耗的具體參數(shù)，反向迭代更新參數(shù)更小的元器件，從而能夠提升轉(zhuǎn)換效率。

否則，僅靠語言來描述該如何提升轉(zhuǎn)換效率，是比較流氓的做法。文學(xué)對物理學(xué)的描述是蒼白的、粗暴的；只有數(shù)學(xué)對物理學(xué)的描述才是直接的、優(yōu)雅的。

圖11 《寶典》3.4 降壓電路的功率、損耗和效率

圖12 功率損耗占比

4.1.6 如何進行元器件選型？

在掌握了 BUCK 電源的電壓、電流和功率三個參數(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合“設(shè)計需求”中的參數(shù)，完成“大”信號功率傳輸級各元件的選型。參考 BUCK電路的輸出電容怎么選型？，需要清楚相關(guān)公式，才能知道使用多大的感值、容值等...

4.1.7 “大”的學(xué)習(xí)方法小結(jié)

參考話說天下大勢(BUCK電路參數(shù))，分久必合... ，“始于拓撲，分于‘壓’‘流’，終于功率”，也可以說是“始于‘設(shè)計需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”。

什么意思呢？也就是，“大”信號功率傳輸部分的學(xué)習(xí)或設(shè)計方法（正向方法），即基于 BUCK 電源拓撲，從“設(shè)計需求”這個“起點1”出發(fā)，學(xué)會各元器件上的電壓、電流參數(shù)，學(xué)會元器件選型；學(xué)習(xí)計算評估元器件選型完成后電源電路的轉(zhuǎn)換效率。

圖13 “始于‘設(shè)計需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”

4.2 “小”的學(xué)習(xí)方法

4.2.1 先熟悉基本概念

拉普拉斯變換、傳遞函數(shù)、零點、極點、波特圖、開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)...

熟悉傳遞函數(shù)有哪些類型？可以是電壓增益、電流增益、跨阻、跨導(dǎo)、阻抗和導(dǎo)納。

熟悉開關(guān)電源的建模方法：基本建模法、狀態(tài)空間平均法、開關(guān)器件平均法、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均法...

4.2.2 學(xué)習(xí)推導(dǎo)被控對象的傳遞函數(shù)G(s)

從傳遞函數(shù)的角度看，BUCK 電源包括的子模塊有：脈沖調(diào)制器、開關(guān)級、LC低通濾波器、誤差放大器等，學(xué)習(xí)推導(dǎo)它們的傳遞函數(shù)；得到整個被控對象或功率傳輸級的傳遞函數(shù)，解出其零點和極點，再根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)，明確環(huán)路補償?shù)念l點...

圖14 《寶典》4.3 BUCK 電路的傳遞函數(shù)

4.2.3 學(xué)習(xí)推導(dǎo)誤差放大器的傳遞函數(shù)H(s)

學(xué)習(xí)傳統(tǒng)誤差放大器Op-Amp和跨導(dǎo)誤差放大器OTA的特性...學(xué)習(xí)推導(dǎo)I型、II型、III型誤差放大器的傳遞函數(shù)及其解...

學(xué)習(xí)使用H(s)的零點補償G(s)的極點，使用H(s)的極點補償G(s)的零點...

學(xué)習(xí)環(huán)路補償?shù)姆椒ǎ夯诠β蕚鬏敿壔虮豢貙ο蟮膫鬟f函數(shù)，解出其零點和極點；根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)，明確環(huán)路補償?shù)念l點；明確需要的誤差放大器類型；根據(jù)需要補償?shù)念l點，反向計算所需的阻容參數(shù)...

4.2.4 學(xué)習(xí)環(huán)路穩(wěn)定性的測試方法...

/ 總結(jié) /

(1) 找個熟悉的 BUCK 控制器或轉(zhuǎn)換器芯片規(guī)格書，啃個幾十遍甚至上百遍其中的典型應(yīng)用實例，先學(xué)會 BUCK 芯片的應(yīng)用，否則直接學(xué)習(xí)原理，不太容易堅持。

圖15 先學(xué)會 BUCK 芯片的應(yīng)用

(2) 在學(xué)會 BUCK 芯片應(yīng)用的基礎(chǔ)上，基于此文提出的“大”信號功率傳輸級的學(xué)習(xí)方法，深入學(xué)習(xí)各元件選型的具體原理。

(3) 基于此文提出的“小”信號控制環(huán)路的學(xué)習(xí)方法，深入學(xué)習(xí)環(huán)路補償?shù)木唧w原理。

(4) 最后，參考學(xué)習(xí)金字塔，學(xué)習(xí)過程中有疑問，可以來群里討論（盡量一次把問題描述清楚，也盡量把圖紙發(fā)出來；如果私信，不要問是否在，是否可以問個問題，這本身就是個問題）；已經(jīng)習(xí)得了相關(guān)原理的，也可以在群里為其他初學(xué)者解答，教授他人。