開關(guān)電源是一種高效的電能轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。其工作原理基于功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，將輸入直流電壓斬波成一系列脈沖電壓，并通過變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的升降和隔離。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定性和高性能，了解其小信號(hào)模型和環(huán)路原理是至關(guān)重要的。

一、開關(guān)電源的基本工作原理

開關(guān)電源通過高頻開關(guān)器件(如MOSFET或IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到變壓器的初級(jí)繞組上，儲(chǔ)存能量;當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，初級(jí)繞組中的電流迅速下降，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，次級(jí)繞組中感應(yīng)出高頻脈沖電壓。通過整流和濾波，這些脈沖電壓轉(zhuǎn)換為平滑的直流輸出電壓。

開關(guān)電源的效率高，因?yàn)楣β示w管在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生的損耗較小。導(dǎo)通時(shí)，電壓低、電流大;關(guān)斷時(shí)，電壓高、電流小。這種工作方式使得開關(guān)電源的功率密度高，體積小，重量輕。

二、小信號(hào)模型

為了分析開關(guān)電源的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，需要建立其小信號(hào)模型。小信號(hào)模型是在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近，對(duì)電路中的各變量附加小信號(hào)波動(dòng)量，通過線性化處理得到的。雖然開關(guān)電源本質(zhì)上是非線性的，但在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近，其小信號(hào)模型可以近似為線性系統(tǒng)，便于分析和設(shè)計(jì)。

以典型的Buck電路為例，Buck電路是一種降壓電路，其工作原理是通過控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)功率開關(guān)管和二極管為理想開關(guān)，濾波電感為理想電感(電阻為0)，電路工作在連續(xù)電流模式(CCM)下。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，Buck電路的輸出電壓是一個(gè)常數(shù)，與占空比D和輸入電壓成正比。當(dāng)電路各狀態(tài)變量圍繞穩(wěn)態(tài)值波動(dòng)時(shí)，可以通過線性化處理得到小信號(hào)模型。在頻域模型下，波特圖提供了一種簡(jiǎn)單方便的工程分析方法，用于計(jì)算環(huán)路增益和進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

通過拉普拉斯變換，可以得到Buck電路在電感電流連續(xù)時(shí)的控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)。這些傳遞函數(shù)描述了輸入電壓、輸出電壓和電感電流之間的關(guān)系，是設(shè)計(jì)控制電路的基礎(chǔ)。

三、環(huán)路原理

開關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性和高性能的關(guān)鍵。環(huán)路包括反饋網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)和主電路等部分。通過反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào);誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器放大后，與三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制開關(guān)器件占空比的PWM信號(hào)。

電壓模式控制(VMC)

電壓模式控制僅采用單電壓環(huán)進(jìn)行校正，比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但VMC方法存在缺點(diǎn)：沒有可預(yù)測(cè)輸入電壓影響的電壓前饋機(jī)制，對(duì)瞬變的輸入電壓響應(yīng)較慢，需要很高的環(huán)路增益;對(duì)由L和C產(chǎn)生的二階極點(diǎn)(產(chǎn)生180°的相移)沒有構(gòu)成補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。

平均電流模式控制(CMC)

平均電流模式控制含有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)環(huán)路。電壓環(huán)提供電感電流的給定值，電流環(huán)采用誤差放大器對(duì)送入的電感電流給定值和反饋信號(hào)之差進(jìn)行比較、放大，得到的誤差放大器輸出再和三角波進(jìn)行比較，最后得到控制占空比的開關(guān)信號(hào)。

電流環(huán)的設(shè)計(jì)原則是，不能使誤差放大器的輸出上升斜率超過三角波的上升斜率，兩者斜率相等時(shí)就是最優(yōu)。如果誤差放大器的輸出上升斜率超過三角波的上升斜率，會(huì)導(dǎo)致其峰值超過三角波的峰值，在下個(gè)周波時(shí)兩者可能不會(huì)相交，造成次諧波振蕩。

通過斜坡匹配的方法進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)后，PWM控制器的增益會(huì)隨占空比D的變化而變化。當(dāng)D很大時(shí)，較小的誤差放大器輸出會(huì)引起D較大的改變;而D較小時(shí)，即使誤差放大器輸出變化很大，D的改變也不大，即增益下降。

在設(shè)計(jì)電流誤差放大器時(shí)，一般需要在高頻處形成一個(gè)高頻極點(diǎn)，以使高頻段的電流環(huán)開環(huán)增益以-40dB/dec的斜率下降，消除電流反饋波形上的高頻毛刺的影響，提高電流環(huán)的抗干擾能力。低頻下一般要加一個(gè)零點(diǎn)，使電流環(huán)開環(huán)增益變大，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

四、實(shí)際應(yīng)用中的考慮

在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)還需要考慮多種因素，如輸入電壓的變化范圍、負(fù)載的波動(dòng)、保護(hù)電路的設(shè)置等。反饋環(huán)路中的電阻、電容等元件的選擇和布局也會(huì)影響開關(guān)電源的穩(wěn)定性和性能。此外，開關(guān)電源的電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)也是不可忽視的重要方面。

通過合理的環(huán)路設(shè)計(jì)和元件選擇，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定性和高性能。同時(shí)，配合軟啟動(dòng)電路、限流電路、鉗位電路和其他輔助部分，可以進(jìn)一步提高開關(guān)電源的可靠性和安全性。

結(jié)語

開關(guān)電源的小信號(hào)模型和環(huán)路原理是實(shí)現(xiàn)其高性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。通過深入理解這些原理，可以設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的開關(guān)電源，滿足各種電子設(shè)備的需求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入。