DC/DC开关电源知识脉络

一、实现直流电压变换的方式
- 基本开关拓扑
- 增强型开关拓扑
- 隔离型开关拓扑
二、隔离型电源的原边拓扑结构
- 推挽式电路
- 双管正激式电路
- 电流馈式推挽电路
- 桥式电路
三、隔离型电源的原边去磁电路
- 辅助绕组复位
- RCD钳位电路复位
四、隔离型电源的原边整流电路
- CCM模式PFC
- DCM模式PFC
- CRM模式PFC
五、隔离型电源的副边拓扑结构
- 全波整流
- 全桥整流
- 多路输出的副边拓扑
六、开关电源的性能指标
- 开关电源的损耗问题
- 开关器件的损耗
- - 通态损耗
  - 开关损耗
七、开关电源的控制策略
- 衡量控制策略好坏的指标
- 分析控制策略好坏的方法
- 几种传统的DC/DC控制策略
- 环路补偿环节的设计

一、实现直流电压变换的方式

实现电源直流稳压输出的基本方式包括线性稳压电源LDO和开关稳压电源SMPS。LDO通过将部分能量消耗在内部三极管实现稳压，SMPS通过将部分能量存储在储能元件（例如电感）然后间接释放实现稳压。

基本开关拓扑

最基本的三类开关拓扑为Buck、Boost、Inverting Buck-Boost。可以通过伏秒平衡来计算各类拓扑的输入输出电压关系，伏秒平衡是描述了这样一种状态：电感间隔存储、释放能量，处于动态平衡状态。表现在电路中即电感电流具有纹波，纹波与电感感值、频率、占空比、输入电压有关。

增强型开关拓扑

将基本的开关拓扑进行两两组合，可以构成新的拓扑，常见的有Cuk、Sepic电路。Cuk、Sepic拓扑的共同特点是电路中有一个储能电容，储能电容可以起到隔离输入输出的功能。两者进行比较，Cuk输入输出反极性，Sepic输入输出正极性。

隔离型开关拓扑

开关电源的输入端供电一般是市电，属于强电，通过引入变压器组成隔离型拓扑，实现输入输出不共地，提升安全等级。根据变压器原边、副边不同的电路结构，可组成不同的隔离型拓扑。

二、隔离型电源的原边拓扑结构

最基本的原边拓扑结构有正激式与反激式。正激式电路的缺点是变压器无法自然磁复位，推挽式与双管正激式电路可以解决这个问题。

推挽式电路

对于推挽式电路，相当于两个正激电路交替工作，两个开关的占空比不能高于0.5，但电感电流占空比可以接近1。推挽电路的好处是两个开关管共地，便于驱动，变压器无需专门复位电路。坏处是开关管承受两倍电源电压，变压器需要四个绕组两个抽头。

双管正激式电路

双管正激引入两个二极管反接变压器，构成变压器磁复位电路，由于变压器复位电压为电源电压，与励磁电压相同，开关管占空比需要小于0.5，使得能量回馈至电源。双管电路好处是开关管承受电压小。坏处是高端开关管需要高端侧驱动。

电流馈式推挽电路

电流馈式推挽电路可以理解成将副边绕组的滤波电感放到了原边。由于原边有电感，便于限制输入端的短路电流以及尖峰电流。由于副边可以不放置电感，仅需要一个原边电感就可以提供多路输出，且输出阻抗小，便于负载调整率以及多路交叉调整率。

桥式电路

当需要处理更大功率时，为了降低对开关管的设计苛求，提出了半桥和全桥结构。对于半桥结构，原边绕组一端连接电位中性点，另一端连接半桥，同样开关管占空比小于0.5，电感占空比可达1。由于母线电容存在，起到自然隔直作用，如果开关特性不完全对称，母线电容直流电压偏移可自动实现伏秒平衡。对于全桥结构，较半桥而言，由于原边电压增大一倍，功率也增大了一倍，如果开关特性不完全对称，需要增加隔直电容来平衡变压器伏秒积。

三、隔离型电源的原边去磁电路

可以发现，隔离式电源拓扑正常工作的前提是变压器能够磁复位。变压器磁通复位理解成变压器中能量需要周期性释放，即励磁电流在开关管断开后要有续流回路。基于这种理解来分析正激拓扑，当开关管导通时，电流流过励磁电感；开关管关断后，副边二极管反偏励磁电流无法续流。对于无法通过电路模态自然复位的拓扑，系统的复位方法有两种：一种是辅助绕组复位、另一种是RCD钳位电路复位。

辅助绕组复位

先介绍辅助绕组复位，开关管导通阶段辅助绕组回路二极管反偏截止，开关管关断后，励磁电流通过辅助绕组续流，在辅助绕组上感应出的电流回馈至电源中。这种复位方式的好处是复位磁能能返回电源，坏处是变压器成本增加，由于复位电压等于励磁电压，开关管占空比小于0.5。

RCD钳位电路复位

RCD钳位电路复位的原理是：开关管导通阶段复位电路不工作，开关管关断后，励磁电流通过二极管向电容充电，变压器中的磁能转移到电容中，然后再通过电阻消耗掉。由于复位电压为电容电压，根据励磁电感的伏秒平衡可知，电容(复位)电压可随占空比变化以保证复位成功，这页使得开关管占空比不受限制。另外，由于电容的钳位作用，开关管电压也能被钳位。

反激电路理论上可通过副边输出电压复位，但变压器实际存在漏感，漏磁电流同样也需要释放，否则会引起开关过程电压尖峰，这种情况存在于绝大部分隔离拓扑中，同样通过RCD吸收电路来复位。

四、隔离型电源的原边整流电路

原边绕组的供电由市电整流后提供，对于不控整流电路，由于整流管只有当输入电压大于输出电压时才能导通，因此整流管的输出电流呈脉冲型，导致输入电流不呈正弦，这种由非线性器件引起的波形失真会给电网带来谐波问题。当输出电容越大，输出电压越稳定，电流脉冲越窄，THD越大，另外，同样负载功率下，脉冲越窄，电流峰值越大，造成的电路损耗也会增加。

针对这种问题，采用开关电源技术对不控整流输出进行斩波，使得输出电流跟随正弦半波，从而使得电网电流正弦。该使用什么开关拓扑呢？由于整流电路输入电压大小在0~Vm之间变化，而输出要稳定在一个直流量，因此需要采用升压电路结构，例如Boost，这种技术称为功率因数校正(PFC)。

CCM模式PFC

PFC的模式有三种：CCM、DCM、CRM。CCM模式固定频率fs，改变占空比D，控制电感电流平均值实时跟随正弦电压，由于Boost输入电压为正弦半波，占空比需要根据当前输入电压实时改变，控制复杂。并且由于需要实时跟踪，电感感值要大，从而实现电流纹波小。

DCM模式PFC

DCM模式固定频率fs和导通时间Ton，由于导通时间固定，根据电感的电压电流关系，电感电流自动上升与电感电压成比例的值，之后令其下降至零，保证电感电流平均值与电压成比例。由于无需实时跟踪，电感取值小，但电流纹波大

CRM模式PFC

CRM模式是固定导通时间Ton，但当电感电流下降至零时开始下一次的导通，即开关频率不固定。

五、隔离型电源的副边拓扑结构

上文介绍了原边电路的不同拓扑，其实副边整流电路也有不同选择，主要有三种应用拓扑：全波、全桥、倍流整流电路。

全波整流

全波电路副边绕组需要中心抽头，绕组设计较为复杂，副边绕组由于分时导通，利用率低，但由于有电位静点存在，共模噪声低，另外整流管只需两个，每个管子承受两倍电源电压，电感电流频率是开关频率两倍。

将全波整流电路经过星-三角对偶变换，可形成倍波整流电路。较全波整流，倍波整流无需中间抽头，绕组利用率高。

全桥整流

全桥电路副边绕组无需中间抽头，绕组利用率高，但电路无电位静点，共模噪声高，整流管需要四个，每个管子承受一倍电源电压。全桥电路电感电流频率与开关频率相同。

多路输出的副边拓扑

在实际应用中，副边电路常常需要多路输出，如果每路带载情况不同，例如当主控输出重载，辅助输出轻载时，会出现一些问题，主要有：

主控回路二极管和杂散参数导致输出电压降低，
辅助回路的电感电流更容易进入断续模式，输出电压上升

这两点原因使得主控输出电压低于辅助输出，使用交叉调整率指标来衡量这种情况。为了提高多路输出电源的交叉调整率，常用的手段是将多路电感进行耦合，存在耦合时，电感电压由两路电流协同产生，致使每一路电流纹波降低，使得轻载路不至于进入DCM状态，提高交叉调整率。

六、开关电源的性能指标

对于开关电源，效率是一个重要指标，电源工程师们会想尽各种手段来降低开关电源损耗。

开关电源的损耗问题

开关电源中的损耗包括开关器件损耗、二极管损耗、电容损耗、磁性元件损耗(包括铜损与铁损)、PCB寄生参数导致的损耗以及控制回路损耗。其中部分损耗与功率(电流)无关，例如控制回路损耗、磁性元件铁损，部分损耗与功率(电流)成一次方，部分损耗与功率(电流)成二次方，因此绘制出来的开关电源效率曲线通常为抛物线。

开关器件的损耗

本节主要讨论开关器件的损耗问题。开关损耗由通态损耗与开关损耗构成。

通态损耗

通态损耗由开关管通态内阻Rds(on)产生热损耗，降低通态损耗只能改变开关管工艺减小内阻实现。

开关损耗

由于开关的动作不是瞬间完成的，开关暂态动作过程会带来损耗。分为开通损耗与关断损耗，开通损耗主要是由开通时寄生电容被强制短路导致，关断损耗主要由关断时寄生电感强制开路带来的。

开关导通前有部分能量存储在开关管的寄生电容中，开关一导通，电容被短接，能量直接通过开关管释放，消耗在开关管内阻上。开关关断前有部分能量存储在开关管的杂散电感中，开关一关断，电感被开路，能量瞬间通过开关管释放，造成电压尖峰。

降低开关损耗的关键点在于：待开关两端电压过零后开关再导通，可以消除开通损耗；待开关两端电流过零后开关再关断，可以消除关断损耗。具体而言，可以通过外加电感，使其与开关管体电容谐振，电流流过体二极管，实现在开关导通前(开关死区时间)电压降为零，达到零电压开通。

七、开关电源的控制策略

除了关心开关电源的拓扑结构，控制策略也值得阐说。控制的目的是为了提供一个不受干扰的稳定输出。通过引入一个高增益控制系统来实现，从好的一面来说，由于是高增益，故当系统保证稳定时，将迫使误差信号为零，输出电压跟随参考电压。从坏的一面来说，由于是高增益，很小的输入误差信号就会产生很高的输出，系统十分灵敏。因此对于高增益系统，提高控制精度的同时，同样需要保持系统稳定。

控制领域最可怕的问题是系统失稳，系统失稳是指由于被控对象存在固有极点，若在截止频率前系统相位超过180度，由于反馈信号接在控制系统反相端，总相移超过360度，对于系统出现的噪声会正反馈放大，系统最后失去稳定。

针对上述问题，引入了反馈控制，反馈控制是一种常用的保证系统稳定的控制手段，在提供高增益以保证精确输出电压的同时，补偿一定的相位，保证系统的稳定。

衡量控制策略好坏的指标

控制的好坏通过稳态特性与动态特性来衡量。

稳态特性包括负载调整率和电压调整率。当负载发生变化时，输出电压也会变化，好的电源需要将这种变化降至最低，通过负载调整率指标来衡量，负载调整率实际上反应了电源的内阻抗。电压调整率用于衡量输入电压变化所造成的输出电压偏差比。

动态特性包括过冲(大小、时间)和跌落(大小、时间)。

分析控制策略好坏的方法

通过环路分析来判断反馈控制系统的性能好坏，具体步骤如下：

建立主功率电路以及控制系统的小信号模型
构建系统开环传递函数，绘制开环传函伯德图。
进行伯德分析，如果系统的相位裕度控制在45 ~ 60度，增益裕度控制在-6 ~ -12dB，在工程上认为系统稳定。还有另外一种直观的判别方法，若幅值曲线以不大于20dB/十倍频的斜率穿越0dB轴线，然后以-40dB衰减。也就是穿越频率前等效成一个主要极点其作用，穿越频率后等效成两个极点起作用，认为系统稳定。

几种传统的DC/DC控制策略

滞环控制。采样输出电压，经过一个滞环比较器输出开关控制信号：当输出电压升至滞环上限，关断开关管，电压开始降低，直至降到滞环下限，重新打开开关管，电压开始上升。这种控制策略十分简单，成本低，其开关频率由环宽决定。
恒定导通时间控制。一旦检测到输出电压降到规定最低值，驱动开关导通，然后开通恒定时间后(通过单稳态电路控制时长)关断开关管。
电压单环控制。直接通过调节占空比来控制输出电压。采样输出电压，与内部参考值一起通过误差放大器产生控制信号，通过比较器将控制信号与锯齿波比较，产生PWM波控制开关占空比。由于采用振荡器产生固定频率脉冲，开关频率固定，简单的反馈网络补偿即可以实现电压精确控制。
电感峰值电流控制。将电压控制中的锯齿波改为电感电流信号，即为峰值控制模式，当输出电压降低，电感电流斜率增大，占空比增加，从而提升输出电压。
电感平均电流控制，采用误差放大器产生电压误差信号，再与电感电流信号比较后产生控制信号，最终产生PWM驱动波形。由于有“平均”环节，抗噪声能力强。

环路补偿环节的设计

最基本的环路补偿电路是电阻电容构成的纯模拟网络，工程上有三类基本补偿电路。在此不详细展开。

第Ⅰ类补偿网络为RC单极点补偿网络，设计较小的截止频率，迫使系统强迫稳定。由于Ⅰ类补偿网络会使得系统响应十分缓慢，实际中并不适用，常用于首次调试电路时测试系统静态特性。

第Ⅱ类为双极点单零点补偿网络，适用于电流模式控制电路。

第Ⅲ类为双极点双零点补偿网络，适用于绝大部分场合。

DC/DC开关电源知识概述相关推荐

DC/DC开关电源设计
DC/DC开关电源设计视频讲解链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Dv411y7jM?t=156 一.电源概述主要内容:线性稳压电源和开关稳压电源的概念理解 1 ...
matlab的dc程序,基于MATLAB的数字式DC/DC开关电源系统建模
2009 年 3 月 25 日第 26 卷第 2 期 Telecom Power Technology Mar. 25 , 2009 , Vol. 26 No. 2 收稿日期 :20081217 作者 ...
开关电源DC/DC的直流电流、交流电流、电感纹波电流、电流纹波率
开关电源DC/DC的直流电流.交流电流.电感纹波电流.电流纹波率开关电源DC/DC 认识DC/DC 判断DC/DC的类型交流电流伏秒数和纹波电流的关系直流电流影响电感电流的情况电感纹波电流 ...
AC/DC、DC/DC转换器知识
首先,我们过一下AC(交流)和DC(直流)的概念. 何谓AC Alternating Current(交流)的首字母缩写. AC是大小和极性(方向)随时间呈周期性变化的电流. 电流极性在1秒内的变化次 ...
[专业名词·硬件] 2、DC\DC、LDO电源稳压基本常识（包含基本原理、高效率模块设计、常见问题、基于nRF51822电源管理模块分析等）·长文...
综述先看这里第一节的1.1简单介绍了DC/DC是什么: 第二节是关于DC/DC的常见的疑问答疑,非常实用: 第三节是针对nRF51822这款芯片电源管理部分的DC/DC.LDO.1.8的详细分析,对 ...
半桥dcdc变换器matlab,450W多路DC/DC变换器设计方案
1 概述 450W多路DC/ DC 变换器是一种直流变换开关电源,其输入电压为直流27V ,电源输出分别为直流±20V 10A 和5V 10A 三种不同的类型,其中电源的输入与输出隔离,且输出电源的± ...
DC/DC电源模块介绍
电源模块电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,有降压和升压两种,其特点是可为专用集成电路(ASIC).数字信号处理器(DSP).微处理器.存储器.现场可编程门阵列 ...
DC/DC电源模块是什么？有何特点
一.电源模块是什么? 电源模块是可以直接安装在印刷电路板上的电源供应器,有降压和升压两种,专用集成电路( ASIC ).数字信号处理器( DSP ).微处理器.存储器.现场可编程门阵列( FPGA ) ...
(转)搞定DC/DC电源转换方案设计，必看金律十一条
[导读] 搞嵌入式的工程师们往往把单片机.ARM.DSP.FPGA搞的得心应手,而一旦进行系统设计,到了给电源系统供电,虽然也能让其精心设计的程序运行起来,但对于新手来说,有时可能效率低下,往往还有供 ...

DC/DC开关电源知识概述