开关电源中的几个难点问题

1开关电源中的几个难点问题开关电源中的几个难点问题开关电源中的几个难点问题开关电源中的几个难点问题张兴柱博士（2008年10月完成）世纪电源网：开关电源的带宽是不是越高越好????02020202：为什么PFCPFCPFCPFC的带宽要控制在10~20Hz10~20Hz10~20Hz10~20Hz????03030303：用UC3842~45UC3842~45UC3842~45UC3842~45控制的开关电源,,,,其限流点为什么会随输入电压变化????04040404：开关电源的带容性负载能力是不是越大越好????05050505：在峰值电流控制中,,,,当占空比大于0.50.50.50.5时,,,,为什么要加斜波补偿电路????06060606：两个完全稳定的开关电源,,,,组成系统时,,,,为什么会产生振荡????07070707：MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET并联时为什么经常出现炸机现象????08080808：开关电源中的拍频现象是怎么产生的????如何克服????09090909：为什么开关电源中的干扰会对电源会产生致命的影响????10101010：为什么开关电源中的电性能,,,,热性能和EMIEMIEMIEMI性能是互相关联的????11111111：为什么高频功率变压器对电源的性能有非常大的影响????12121212：MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的最大占空比应如何设计,,,,才能获得最佳的电源性能????13131313：如何才能保证大占空比下的隔离驱动电路绝对可靠????14141414：大占空比下电流取样电路的去磁如何实现????15151515：同步整流驱动对开关电源的效率是怎么影响的????16161616：…………………………………………………………………………....3因报告时间所限,,,,本次只给大家介绍清单中的前面六个问题它们可归结为开关电源动态方面的难点问题4问题一：开关电源的带宽是不是越高越好????51)1)1)1)：两种常见控制的开关电源框图(1)(1)(1)(1)：峰值电流型控制LCSD)(td)(tvg)(tio)(tvo)(tigpNsNTRf1Rf2OC1sv1refV3/1Z1Z2refV)(tvf)(tvc)(1tvc6LCSD)(td)(tvg)(tio)(tvo)(tigpNsNTSesmTV/Rf1Rf2OC1sv1refV3/1Z1Z2refV)(tvf)(tvc)(1tvc(2)(2)(2)(2)：电压型控制72)2)2)2)：开关电源带宽的定义(1)(1)(1)(1)：开关电源的小信号传递函数方块图gvˆoiˆovˆgiˆooutgvgcvcoiZvGvGvˆˆˆˆ×′−×′+×′=ogiiggigcgicgiGvGvGiˆˆˆˆ)()()(×′+×′+×′=cvˆ1ˆcvHovHˆ0ˆ=refv)(sGcocDHKovHˆ−outffZZRR′+121//121//ZRRff去耦条件：8(2)(2)(2)(2)：开关电源的小信号闭环环增益)()()(sGsGKHHsTcvcDoc×′×××=(3)(3)(3)(3)：开关电源闭环小信号等效电路gvˆoiˆovˆgiˆgcvgvGˆ×−coutZ−cinZ−ocgiiiGˆ)(×−其中：cvgG−电源模块的闭环小信号电压音频隔离度coutZ−电源模块的闭环小信号输出阻抗cgiiG−)(电源模块的闭环小信号电流音频隔离度电源模快的闭环小信号输入阻抗cgigcinGZ−−=)(19(4)(4)(4)(4)：开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数TGGvgcvg+′=−1TZZoutcout+′=−1)()()(1gicvcvggigcgigGGGTTGG′′′+−′=−)()()(1giivcoutgiicgiiGGZTTGG′′′++′=−开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否有解((((或开关电源是否稳定))))与其闭环环增益有关....)(sT开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否满足开关电源的动态规格与其闭环环增益有关....)(sT10--用环增益的Bode图，可判断开关电源的稳定性。--环增益的带宽：其幅频特性与零dB相交处的频率；--环增益的相位裕量：cf)(180cmjTω∠+°=Φccfπω2=其中：)(log20ωjT稳定性条件：，增益裕量分贝。上述条件须在所有稳态工作点上及全部环境温度下均满足，系统才是稳定的。开关电源的带宽就是其闭环环增益的带宽。°°Φ45~30m°−1806≥(5)(5)(5)(5)：开关电源的稳定性判椐及开关电源的带宽概念--环增益的增益裕量：环增益相位为处的环增益幅度的分贝绝对值。113)3)3)3)：开关电源带宽的高低对开关电源的影响(1)(1)(1)(1)：从开关电源的稳定性看,,,,带宽越低,,,,电源越容易稳定：　　---对PCB布板要求降低；　　---补偿电路的抗高频干扰能力增强；---相位裕量增加；(2)(2)(2)(2)：从开关电源的动态指标看,,,,带宽越高,,,,电源的动态性能越好；---可提高对输入低频纹波的抑制能力；---可提高对输出负载电流变化的抑制能力；(3)(3)(3)(3)：在满足同样动态指标时,,,,带宽高的开关电源,,,,会有更高的功率密度和更低的成本：　　---带宽越高,其低频处的闭环音频隔离度就越小,输出端的低频率纹波就越小,在输出纹波一样时,输入端的滤波电容就越小；同样的道理在负载跳变所引起的输出电压变化一样时,输出端的滤波电容就越小；(4)(4)(4)(4)：提升开关电源的带宽,,,,对开关电源的性价比非常有利,,,,但受许多因素牵制::::---开发人员的水平；---合理的总体方案；　　---PCB布板要求的提高等等．12４))))：开关电源的带宽是不是越高越好？答案：是因为只有不断提高开关电源的带宽，才能保证你的开关电源产品更有竞争力，才能更好地满足客户的要求．13问题二：为什么PFCPFCPFCPFC的带宽要控制在10~20Hz?10~20Hz?10~20Hz?10~20Hz?141)1)1)1)：传统PFCPFCPFCPFC的实现框图VinVoRUC3854控制简图输入电压波形取样输入前馈电压取样电压环ABCCAB电流环PWM及驱动三角波基准通过一个乘法器和电压环实现输出的稳压，正弦的电流环基准，及输入的前馈；用快速的电流环实现输入电流的正弦和单位功率因数。152)2)2)2)：实现与输入电压同相且失真很小的输入正弦电流之要求(1)(1)(1)(1)：电流环的基准必须与输入电压同相且失真很小：(2)(2)(2)(2)：电流环的速度足够快或者该环环增益的带宽足够高。3)3)3)3)：为什么PFCPFCPFCPFC的带宽要控制在10~20Hz?10~20Hz?10~20Hz?10~20Hz?(1)(1)(1)(1)：因为电流环的基准为：CABiref=tvkALrmsggωsin2)（=其中：为输入电压波形的取样信号：)2rmsggrmsvkC（=为输入电压有效值的取样信号：当输入电压波形无失真时，基准电流的波形在BBBB为净直流时，为理想的正弦。而现在的BBBB是电压环的输出，它有一个直流分量和一个两倍网频分量。两倍网频分量产生的原因见下面的分析：tvVvBLcmccω2sin+==16（1）：忽略输出电压的纹波；（2）：输入电流为正弦波，与输入电压同相；（3）：定频控制，且最大占空比可等于1；（4）：功率级元器件均理想；（5）：电感电流为CCM。RLCSD)(tIg)(tId)(tIo)(tVo)(tD)(tVg)(tVdtVtVLrmsggωsin2)()（=tItILrmsggωsin2)()(=ooVtV≈)(（1）电路原理图（稳态）（2）分析假定17（3）：稳态电路波形tAveragetoV∆oV)(tVg)(tIgt)(tIdoItAveragetoV∆oV)(tVg)(tIgt)(tIdoI)(tD1=Dt)(tD1=Dt因为：因为，)()(tVtVgLogVtDtV×−≈)](1[)(odVtDtV×=)()()()(tPtPgo=)2cos1(sin2)()()()()(2)()(tIVtIVtItVtPLrmsgrmsgLrmsgrmsggggωω−××=×=×=)()(tIVtPdoo×=所以：)2cos1()()()(tVIVtILormsgrmsgdω−×=及：所以：，tVVtDLormsgωsin21)()(−≈RLCSD)(tIg)(tId)(tIo)(tVo)(tD)(tVg)(tVdLωω2=输出电压的低频（）纹波：RCLω21当：有：ocLooIXCIV×==∆ω18(2)(2)(2)(2)：所以电流环的基准可写成：ttKvtKVtvVtKvtKCABiLLcmLcLcmcLcLrefωωωωωω2sinsinsin]2sin[sinsin+=+×=×==因为：ttttttttLLLLLLLLωωωωωωωω3cos21cos21)]2cos()2[cos(212sinsin−=+−−=所以基准中的第二项会带来失真，为减小该失真，唯一的办法就是将减小到很小，使第二项的影响可忽略。这就要求电压环的补偿电路对输出电压的2222倍网频分量有非常大的衰减。经分析可知，为实现3%3%3%3%左右的输入正弦电流失真度，电压环的带宽一般须控制在10~20Hz10~20Hz10~20Hz10~20Hz。cmvPFCPFCPFCPFC的电压环设计BodeBodeBodeBode图见下页：grmsgvKK2=grmsggkkK=19)(sT)(sTu)(sGc)(log20sT)(sT∠1Hz10Hz100Hz1KHz10KHz100KHz1MHz-20dB0dB20dB40dB-40dB-60dB-80dB°0°90°−9010/1pfdecdB/20−°−180AcfA−mΦ110pf1pf1pfif′′cpff=1icffk′′=CVKfoi××′×=′′π21)/1()(1pcsksGω+=0ˆ=refvovˆcvˆR4C3Rf1R334RffRic×′′=cfRC×=4321π13)1frefoRVVR−=（gisKRRK×=′grmsggkkK=20问题三：用UC3842~45UC3842~45UC3842~45UC3842~45控制的开关电源,,,,其限流点为什么会随输入电压变化????211)1)1)1)：峰值电流型控制的调制器方程dVcFmRixiLcvfsnsLiiR×0sdTsTt)(peakLiiR×(1)(1)(1)(1)：无外部补偿斜波（占空比小于0.50.50.50.5）：(2)(2)(2)(2)：限流时调制器的稳态方程：max]2)()([cLLivtitIR=∆+×222)2)2)2)：正激变换器的限流点max)1(2csoocsvNTDLVIR=−+×soocLTDLVIti)1(2)(−+=因为限流时：goVNVDη=而：所以：所以限流点：soscocTDLVRNvI)1(2max−−=从方程可知，限流点与输入电压有关。LVcmaxFmdRsRsxIL/NVgVoRCSD1pNsNILIocD2233)3)3)3)：反激变换器的限流点max])1(2)1([csmoocsvTDLNVDNIR=−+−×smoocTDLNVDNIt)1(2)1()(Im−+−=因为限流时：ogNVVDη+=11而：所以：所以限流点：])1(2)[1(maxsmoscocTDLNVRvDNI−−−=从方程可知，限流点与输入电压有关。LmVcmaxFmdRsRsxImVgVoRCSDpNsNImIoc245)5)5)5)：采用UC3842~45UC3842~45UC3842~45UC3842~45控制的开关电源,,,,其限流点的调试通常比较费时，往往要