开关电源电路开发设计秘籍大全

频旁通。最后，就极高性能的系统而言，电源的功率级可能会限制响应时间，即电感器中的电流可能不能像控制环路期望的那样快速响应，这是因为电感和施加的电压会限制电流转换速率。

　　下面是一个如何使用上述关系的示例。 问题是根据200kHz开关电源10amp变化幅度允许范围内的50mV 输出变化挑选一个输出电容。所允许的峰值输出阻抗为：

　　Zout=50mV/10 amps或5毫欧。这就是最大允许输出电容ESR。接下来就是建立所需的电容。 幸运的是， ESR和电容均为正交型， 可单独处理。 一个高 （Aggressive） 电源控制环路带宽可以是开关频率的1/6或30 kHz。于是在30 kHz 时输出滤波电容就需要一个不到5毫欧的电抗， 或高于1000uF的电容。 图10.2显示了在5毫欧ESR、 1000uF电容以及30kHz 电压模式控制条件时这一问题的负载瞬态仿真。就校验这一方法是否有效的10amp负载变动幅度而言，输出电压变化大约为52mV。

　　图 10.2 仿真校验估计负载瞬态性能

　　秘笈十一 解决电源电路损耗问题

　　您是否曾详细计算过设计中的预计组件损耗，结果却发现与实验室测量结果有较大出入呢？本电源设计小贴士介绍了一种简便方法，以帮助您消除计算结果与实际测量结果之间的差异。该方法基于泰勒级数展开式，其中规定（在赋予一定自由条件下）任何函数都可分解成一个多项式，如下所示：

       如果意识到电源损耗与输出电流相关 （可用输出电流替换X） ， 那么系数项就能很好地与不同来源的电源功率损耗联系起来。例如，ao代表诸如栅极驱动、偏压电源和磁芯的固定开销损耗以及功率晶体管Coss充电与放电之类的损耗。这些损耗与输出电流无关。第二项相关联的损耗a1直接与输出电流相关，其典型表现为输出二极管损耗和开关损耗。在输出二极管中，大多数损耗是由于结电压引起的，因此损耗会随着输出电流成比例地增加。

　　类似地，开关损耗可通过输出电流关联项与某些固定电压的乘积近似得出。第三项很容易被识别为传导损耗。 其典型表现为 FET 电阻、 磁性布线电阻和互联电阻中的损耗。高阶项可能在计算非线性损耗（如磁芯损耗）时有用。只有在考虑前三项情况下才能得出有用结果。

　　计算三项系数的一种方法是测量三个工作点的损耗并成矩阵求解结果。如果损耗测量结果其中一项是在无负载的工况下得到 （即所有损耗均等于第一项系数a0） ，那么就能简化该解决方法。随后问题简化至容易求解的两个方程式和两个未知数。一旦计算出系数，即可构建出类似于图11.1、显示三种损耗类型的损耗曲线。该曲线在消除测量结果和计算结果之间的偏差时大有用处，并且有助于确定能够提高效率的潜在区域。例如，在满负载工况下，图 1中的损耗主要为传导损耗。为了提高效率，就需要降低 FET 电阻、电感电阻和互联电阻。

　　图11.1：功率损耗组件与二次项系数相匹配

　　实际损耗与三项式之间的相关性非常好。图11.2对同步降压稳压器的测量数据与曲线拟合数据进行了对比。我们知道，在基于求解三个联立方程组的曲线上将存在三个重合点。对于曲线的剩余部分，两个曲线之间的差异小于2%。由于工作模式（如连续或非连续）不同、脉冲跳频或变频运行等原因，其他类型的电源可能很难以如此匹配。 这种方法并非绝对可靠， 但是有助于电源设计人员理解实际电路损耗情况。

　　图11.2 前三个损耗项提供了与测量值良好的相关性

　　秘笈十二 电源效率最大化

　　在《电源设计秘笈11》中，我们讨论了如何利用泰勒级数 （Taylor series） 查找电源中的损耗源。在本篇电源设计秘笈中，我们将讨论如何使用相同的级数最大化特定负载电流的电源效率。在《电源设计秘笈11》中，我们建议使用如下输出电流函数来计算电源损耗：

　　下一步是利用上述简单表达式，并将其放入效率方程式中：

　　这样，输出电流的效率就得到了优化（具体论证工作留给学生去完成）。这种优化可产生一个有趣的结果。当输出电流等于如下表达式时，效率将会最大化。

       需要注意的第一件事是，a1项对效率达到最大时的电流不产生影响。这是由于它与损耗相关，而上述损耗又与诸如二极管结点的输出电流成比例关系。因此，当输出电流增加时，上述损耗和输出功率也会随之增加，并且对效率没有影响。需要注意的第二件事是，最佳效率出现在固定损耗和传导损耗相等的某个点上。这就是说， 只要控制设置a0和a2值的组件， 便能够获得最佳效率。 还是要努力减小a1的值，并提高效率。控制该项所得结果对所有负载电流而言均相同，因此如其他项一样没有出现最佳效率。a1项的目标是在控制成本的同时达到最小化。