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

01、簡介?

參考?開關(guān)電源研學(xué)群[BUCK] ，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(tái)。參考?一種高效的硬件工程師學(xué)習(xí)方法[更新篇，更牛逼，加量不加價(jià)]?，之前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(shí)，群內(nèi)也不乏電源初學(xué)者甚至學(xué)生，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)或者方法，往往不知道該如何找到一個(gè)“起點(diǎn)”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(diǎn)”，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(diǎn)點(diǎn)，僅是指點(diǎn)...

02、從 BUCK 開始學(xué)習(xí)開關(guān)電源？

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

(1)?BCUK 電源拓?fù)湎鄬?duì)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(jì)占了非隔離拓?fù)涞陌氡诮健?/p>

(2)?學(xué)會(huì)或精通了 BUCK 電源，容易擴(kuò)展到其他拓?fù)?；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?fù)?/p>

圖2?非同步?BOOST 電源拓?fù)?/p>

圖3?非同步反相 BUCK-BOOST 電源拓?fù)?/p>

03、 “大”“小”是什么意思？?

圖4?“大”信號(hào)功率傳輸、“小”信號(hào)控制環(huán)路

圖4，以 BUCK 電源為例，將整個(gè)電路分為“大”“小”兩個(gè)部分。

“大”是指大信號(hào)功率傳輸部分（英文稱為 Power Stage ，即功率級(jí)），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(hào)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(dāng)然，還有一部分是其他輔助功能電路，如軟啟動(dòng)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)等，我們暫時(shí)不關(guān)心，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)規(guī)格書進(jìn)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(rèn)識(shí) 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(hào)功率傳輸部分就是G(s)，“小”信號(hào)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(rèn)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(fù)反饋控制系統(tǒng)。

04、 從“大”到“小”學(xué)習(xí)開關(guān)電源?

3.1?“大”的學(xué)習(xí)方法

3.1.1?了解功率級(jí)設(shè)計(jì)的“起點(diǎn)”，即“設(shè)計(jì)需求Design Requirements”：如最基本的輸入電壓、輸出電壓、負(fù)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(gè)重要的參數(shù)是紋波電流系數(shù)、目標(biāo)轉(zhuǎn)換效率。

圖7?設(shè)計(jì)需求Design Requirements

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

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

3.1.3?如何學(xué)習(xí)電壓參數(shù)？

按“點(diǎn)”分電壓，BUCK電路有三個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)，即輸入電壓節(jié)點(diǎn)、開關(guān)電壓節(jié)點(diǎn)和輸出電壓節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)Vin和開關(guān)電壓節(jié)點(diǎn)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(diǎn)Vout有關(guān)的輸出電容，其耐壓值需要大于等于輸出節(jié)點(diǎn)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)

3.1.4?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(gè)電流分支；根據(jù)電流參數(shù)類型的不同有瞬時(shí)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(gè)電流類型。所以，綜合下來BUCK至少有5*7+2=37個(gè)電流參數(shù)（通常認(rèn)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(shí)電流

參考上述幾篇文章，BUCK 電源的電流參數(shù)也有一個(gè)“起點(diǎn)”，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(diǎn)2”。有了 r 以及“設(shè)計(jì)需求”中的輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流和開關(guān)頻率這幾個(gè)參數(shù)，才能計(jì)算得到所需的功率電感值是多少。

有了 r 和負(fù)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(fù)載條件下工作在 CCM 模式、BCM 模式、DCM 模式...

有了 r 和負(fù)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(huì)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)

3.1.5?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(shí)，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(píng)估整個(gè) 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(jì)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(huì)有詳細(xì)的公式表達(dá)...這里可以說明的是，學(xué)會(huì)了各元器件上功率損耗的公式表達(dá)后，如果最后設(shè)計(jì)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(duì)物理學(xué)的描述是蒼白的、粗暴的；只有數(shù)學(xué)對(duì)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

3.1.6 如何進(jìn)行元器件選型？

在掌握了 BUCK 電源的電壓、電流和功率三個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合“設(shè)計(jì)需求”中的參數(shù)，完成“大”信號(hào)功率傳輸級(jí)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...

3.1.7?“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?fù)?，分于‘壓’‘流’，終于功率”，也可以說是“始于‘設(shè)計(jì)需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”。什么意思呢？也就是，“大”信號(hào)功率傳輸部分的學(xué)習(xí)或設(shè)計(jì)方法（正向方法），即基于 BUCK 電源拓?fù)?，從“設(shè)計(jì)需求”這個(gè)“起點(diǎn)1”出發(fā)，學(xué)會(huì)各元器件上的電壓、電流參數(shù)，學(xué)會(huì)元器件選型；學(xué)習(xí)計(jì)算評(píng)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(jì)需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”

3.2?“小”的學(xué)習(xí)方法3.2.1?先熟悉基本概念

拉普拉斯變換、傳遞函數(shù)、零點(diǎn)、極點(diǎn)、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...

3.2.2 學(xué)習(xí)推導(dǎo)被控對(duì)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(jí)、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(gè)被控對(duì)象或功率傳輸級(jí)的傳遞函數(shù)，解出其零點(diǎn)和極點(diǎn)，再根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)，明確環(huán)路補(bǔ)償?shù)念l點(diǎn)...

圖14?《寶典》4.3?BUCK 電路的傳遞函數(shù)

3.2.3 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(diǎn)補(bǔ)償G(s)的極點(diǎn)，使用H(s)的極點(diǎn)補(bǔ)償G(s)的零點(diǎn)...

學(xué)習(xí)環(huán)路補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ夯诠β蕚鬏敿?jí)或被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，解出其零點(diǎn)和極點(diǎn)；根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)，明確環(huán)路補(bǔ)償?shù)念l點(diǎn)；明確需要的誤差放大器類型；根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)念l點(diǎn)，反向計(jì)算所需的阻容參數(shù)...

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

04、總結(jié)

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

圖15?先學(xué)會(huì)?BUCK 芯片的應(yīng)用

(2)?在學(xué)會(huì) BUCK 芯片應(yīng)用的基礎(chǔ)上，基于此文提出的“大”信號(hào)功率傳輸級(jí)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(hào)控制環(huán)路的學(xué)習(xí)方法，深入學(xué)習(xí)環(huán)路補(bǔ)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(gè)問題，這本身就是個(gè)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。圖16?學(xué)習(xí)金字塔(學(xué)習(xí)內(nèi)容留存率)如此，我們電源工程師圈子就實(shí)現(xiàn)了正向飛輪，這就是我期望的我們[?開關(guān)電源研學(xué)群[BUCK] ]實(shí)現(xiàn)的正反饋，且期望它的增益越來越大，不要穩(wěn)定在我創(chuàng)建它的原點(diǎn)...

(5) 你，學(xué)廢了嗎...