開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性分析(一)

大家好，這里是大話硬件。

說到開關(guān)電源不得不提的就是開關(guān)的環(huán)路穩(wěn)定性，但是這一塊目前用的DC-DC芯片，很多廠家在芯片內(nèi)部都已經(jīng)做好了，所以對于使用的人來說，即使不太關(guān)注環(huán)路的穩(wěn)定，按照手冊中推薦的值設(shè)計產(chǎn)品也能正常使用。

當(dāng)然，僅僅是按照手冊中設(shè)計，但不清楚為什么要這樣設(shè)計，讓我一直感覺不踏實(shí)。我非常想知道為什么我這樣設(shè)計環(huán)路就是穩(wěn)定的，如果能像我用歐姆定律一樣，拿個萬用表一測就知道，至少是這樣的程度，才讓我感覺自己做的東西是可靠的!

因此，工作這么久，我一直對開關(guān)電源環(huán)路這塊的知識點(diǎn)有些不放心，就像別人問你哪一塊學(xué)得最好時，人家問會開關(guān)電源嗎?我想，如果我直接說我會，我感覺比較心虛，比如設(shè)計的電源增益是多少，相位裕量是多少?這些我可能都說不清楚。

因此，我始終都認(rèn)為，要把開關(guān)電源穩(wěn)定性好好研究一下。

言歸正傳，今天我們開始開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性的第一講。

為了大家能都能理解這個晦澀難懂的知識模塊，會從最基本的電源理論開始，再到傳遞函數(shù)，波特圖，環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)，環(huán)路補(bǔ)償模型這樣慢慢的深入。

1. 開關(guān)電源系統(tǒng)

開關(guān)電源，從名字就知道這個系統(tǒng)有開關(guān)，而在電子中最常用的開關(guān)是什么?三極管，MOS管，晶閘管。的確在不同的電源中，這三種器件都有使用。在理解開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性時，我們要建立閉環(huán)的概念，也就是存在反饋。如果沒有反饋，那系統(tǒng)就是開環(huán)的。

比如，我們坐公交的時候經(jīng)常會聽到“您已超速，請減速”，司機(jī)就會將車子速度降低，這就是一個典型的閉環(huán)系統(tǒng)，如果沒有速率的監(jiān)測，那司機(jī)是無法準(zhǔn)確知道當(dāng)前的速度以及是否存在超速。再比如夏天開空調(diào)，熱的時候，你會開到16°，冷的時候，你又會調(diào)到25°，你感覺到熱或者冷，就是反饋。

根據(jù)上面的分析，在理解開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的時候，也可以借助一些能量傳遞模型來理解環(huán)路的穩(wěn)定，這個在后面的文章會有涉及。

2. DC-DC拓?fù)?/p>

開關(guān)電源的種類很多，隔離的非隔離的，降壓的，升壓的，升降壓的。為了降低分析的難度，主要關(guān)注boost，buck，buck-boost這三種。而這三種拓?fù)湓趨^(qū)分的時候，可以以電感為中心，電感接輸入，輸出，和地形成了這三種拓?fù)洹?/p>

Boost拓?fù)?/p>

Buck拓?fù)?/p>

Buck-Boost拓?fù)?/p>

3. Buck變換器工作原理

在分析Buck工作原理時，其實(shí)我們都是基于穩(wěn)態(tài)，甚至是連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，相比斷續(xù)模式來說，從連續(xù)導(dǎo)通模式甚至是臨界連續(xù)模式入手，是比較簡單而且非常有效的一種手段。

下面以CCM模式，來分析開關(guān)導(dǎo)通時和閉合時開關(guān)電源輸入輸出之間的關(guān)系。

當(dāng)開關(guān)閉合時：電感充電，此時電感左﹢右﹣，根據(jù)

閉合環(huán)路使用KVL:

將微分轉(zhuǎn)為積分求電流

當(dāng)開關(guān)斷開時：電感續(xù)流，為了保持電流持續(xù)向負(fù)載供電，此時電感會產(chǎn)生左﹣右﹢的感生電動勢。

閉合環(huán)路使用KVL:

將微分轉(zhuǎn)為積分求電流

根據(jù)前面的分析，假設(shè)在環(huán)路穩(wěn)定，開關(guān)電源處于穩(wěn)態(tài)的條件下，在一個完整的周期內(nèi)，要讓電源可靠，持續(xù)的穩(wěn)定輸出，必須有電感每個周期存儲的能量等于釋放的能量，Ton電感電流增量等于Toff期間電感電流負(fù)的增量。如果這個條件都不滿足，開關(guān)電源無從談起，甚至是不是個電源都說不上!

伏秒平衡：

推出輸入和輸出的關(guān)系：

其中輸入電壓的單位是伏特，輸出電壓也是伏特，所以占空比D是一個無量綱的單位，是一個實(shí)數(shù)，這個關(guān)系將在后面環(huán)路分析時有較大的用處。

關(guān)鍵信號的波形：

總結(jié)一下：

這篇文章主要是根據(jù)Buck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用歐姆定律，基爾霍夫定律，積分微分，這些我們所熟悉的理論推導(dǎo)出了開關(guān)電源輸入和輸出關(guān)系的表達(dá)式，我相信看完這篇文章，應(yīng)該是可以自己推導(dǎo)一次。

在后面的文章中，我們同樣會按照這樣的風(fēng)格，盡量使用大家都已經(jīng)掌握的知識，來一步一步的拆解晦澀難懂的環(huán)路穩(wěn)定性的問題，在前面先把積木搭起來，后面綜合分析的時候就不會顯得那么困難!