雷·雷德利博士介绍开关电源设计
开关电源设计是一个复杂而引人入胜的问题，这些问题继续使开关电源设计成为一项艰巨而耗时的任务。我希望向您展示在设计电源时必须进行适当的勤奋和工程设计，电源是电子系统中至关重要且经常被误解的部分。
开关电源设计会取代线性稳压器设计吗？
在电源设计社区之外，还有一种永远存在的感觉，即电源设计很容易，并且不值得花时间和精力。事实无可厚非，近年来，与电源和热问题有关的大量产品召回就是这一事实的证明。
毫无疑问，电源设计是一个成熟的行业。标准电路在世界范围内使用，反激电路，降压转换器和前向转换器在该领域占主导地位。这种情况已经稳定了很多年，因此，半导体公司做出了巨大的努力，将功能集成到高级芯片中，从而使芯片内部的功能越来越多，而零件却更少。
随着开关电源功能被集成到芯片内部，我们经常会失去设计灵活性，而无法使用关键功能。在以后的专栏中，我将讨论正在集成的零件，以及为什么我个人更喜欢使用离散设计访问其中的许多零件。在本专栏中，我们将仅关注反馈控制循环中可以忽略的功能之一。
进行电源控制一直是电源设计中的一项特殊技能。在最新一轮的IC设计中，人们常常假装它不再是一个需要注意的功能，并且反馈回路的集成消除了进行正确的系统设计的机会。
线性稳压器
分立电源电路的集成已经在该行业中发生过。三十年前，当我们还没有开关要处理时，线性稳压器就占据了整个行业。复杂的设计由经验丰富的工程师生成，以优化参数，例如最小压降电压，瞬态响应时间，热特性，效率等。
设计人员在晶体管特性，热设计和反馈分析方面知识渊博。由于所有调节器均使用误差放大器来精确设置输出电压，因此反馈分析和测量是优化系统设计过程的一部分。
后来，标准解决方案进入了行业，导致了线性稳压器的集成。如今，几乎没有人考虑构建自己的线性稳压器，因为它已经被有效集成。在此过程中，无法访问反馈循环，但是似乎没有人对此表示关注。为什么不？好吧，线性稳压器的集成进行得相当顺利，这有三个原因–1）可预测性，2）与线路和负载变化的一致性以及3）低噪声。
线性稳压器的反馈非常简单。小信号模型就是电流源给电容器和负载电阻器供电的模型。系统控制回路设计的唯一变化是输出电容器的阻抗。除此之外，该系统是可预测的，并且可以轻松地进行仿真和建模，建模结果与测量结果非常吻合。
图1：一旦设计了分立元件，三端线性稳压器现在几乎总是完全集成在一起。不再有任何对控制回路的访问。
线性稳压器集成后，就没有机会更换控制器，除了更换输出电容器。输出电容器实际上是唯一不受控制的组件。但是，这部分几乎没有压力-它只是为了稳定系统并在负载瞬变期间提供能量。
将线性稳压器设计放入系统后，我们可以按照图2所示的简单模型来查看稳压器的特性。线性稳压器的输入阻抗是电流源，无论输入电压如何变化，电流消耗是固定的，等于输出电压除以负载电阻。调节器模型的输出只是一个电压源。
图2：只要线性稳压器控制环路稳定，电路模型就看起来像是输入端上的电流源（无限阻抗）和输出端上的电压源（非常低的阻抗）。很少有噪音引入系统。
由于线性稳压器不会产生任何明显的噪声，因此我们无需在系统板上引入任何复杂的滤波。结果，线性稳压器在板上的放置和集成几乎是一件微不足道的工作，并且不需要电力电子设计人员的参与（尽管存在散热问题，这也是我们的责任。）
开关电源的未来命运是否一样？控制器功能与功率设备和辅助电路的集成是否会使开关电源设计变得简单？
好吧，不是那么快。正如我们将在下面看到的，即使是最简单的开关电源，其特性也具有极大的复杂性。
PWM开关稳压器
所有开关稳压器中最基本的是降压转换器，如图3所示。它仅由四个电源组件和一个反馈回路组成，用红色表示。它看起来非常简单，但是随着电源设计人员数十年来的意识到，该系统具有很多复杂性。
图3：看似简单的降压转换器功率级包括一个开关，二极管（或同步整流器），电感器和电容器。反馈组件以红色显示，并带有用于传递函数测量的信号注入。
一旦您完成了可靠且有效地打开和关闭半导体器件的第一步（这并非总是一件容易的事，尤其是在处理同步整流器或隔离式转换器时），那么您将剩下一个会产生大量噪声的电路，并且需要围绕它设计一个反馈环路以实现稳定的稳定输出。
在这里，我不会谈论开机和关机问题–稍后将讨论。但首先，让我们看一下控制循环问题。处理任何系统的控制的第一步是正确了解其工厂特征。对于图3的降压转换器，我们对功率级的性能很感兴趣，我们可以测量传递函数，该函数可以通过在将扫频正弦波源注入系统时查看Vo/Vi之比来显示这一点。我们可以在仿真程序中或在参考文献[1]中所述的硬件上执行此操作。
图4的蓝色和红色曲线显示了在高和低线路输入下工作的降压转换器的结果。它基本上只是一个LC滤波器特性，其增益取决于输入电压。
图4：此波德图显示了输入线，输出负载和温度随控制量的变化而变化的控制特性。在典型的10kHz分频频率下，转换器的相位可能相差120度，这对设计人员提出了严峻的挑战。
如果负载降低得足够少，转换器将进入非连续模式，如绿色曲线所示（同步整流器不会发生这种情况）。特征有很大的变化。如果您的系统中装有电解电容器，并且温度降低到零度以下，则可能会发生进一步的变化。
具有所有这些变化的最终增益和相位曲线范围比线性稳压器环路所看到的要差得多。并且这仅包括开关稳压器可能发生的基本影响。多个输出转换器和噪声问题[3]还有更多变化。
现在，让我们看一下如果成功构建具有这些可变特征的可接受的控制环会发生什么情况。闭环系统具有一个简化的模型，如图5所示。电源的输入阻抗看起来像一个负电阻，与线性稳压器的电流源完全不同。负电阻器是系统中的麻烦组件，经常导致振荡。
图5：即使您自己设法稳定降压转换器，但是一旦将其与适当的滤波器一起放入系统中以消除转换器的噪声，它也可能再次变得不稳定。负输入电阻会破坏电路板上其余部分的无源元件的稳定性。
使用输入滤波器时，它可以在某些条件下主动激励电源所需的LC滤波器，因此必须格外小心选择滤波器组件。
滤波器的效果如图6所示。在绿色曲线中，电源的增益和相位有一个小斑点。设计仍然可以，但是它正在与过滤器交互。在红色曲线中，存在严重的相互作用，并且功率级突然在控制特性中具有额外的180度相位延迟。该电源很可能会不稳定。
图6：开关电源有噪声-必须在系统中添加LC滤波器以降低噪声。该图中的绿色曲线显示了设计合理的滤镜的效果控制特性。红色曲线表示电源不稳定时会发生什么。注意额外的180度相位延迟，其中输入滤波器在控制环路中创建一对复数RHP零。现在，整个电源范围在10kHz时的总相位变化超过300度！
可以创建更多的情况，但希望能指出这一点–开关电源将永远不会像线性稳压器那样直接插入设计中。必须进行适当的工程设计，以确保将切换器集成到系统中，并最大程度地保证切换器的可靠性。
尽管您可能会从尝试销售新电源管理产品的公司那里读到一些内容，但切换台的设计仍然是一项复杂的任务，需要适当的工程注意。确保相应地预算时间和金钱，并将适当的专业知识带入您的项目。
附加信息
[1]有关电源设计和分析的视频
[2]为期四天的电源设计研讨会
[3]测量电源控制回路
开关电源设计会取代线性稳压器设计吗？
在电源设计社区之外，还有一种永远存在的感觉，即电源设计很容易，并且不值得花时间和精力。事实无可厚非，近年来，与电源和热问题有关的大量产品召回就是这一事实的证明。
毫无疑问，电源设计是一个成熟的行业。标准电路在世界范围内使用，反激电路，降压转换器和前向转换器在该领域占主导地位。这种情况已经稳定了很多年，因此，半导体公司做出了巨大的努力，将功能集成到高级芯片中，从而使芯片内部的功能越来越多，而零件却更少。
随着开关电源功能被集成到芯片内部，我们经常会失去设计灵活性，而无法使用关键功能。在以后的专栏中，我将讨论正在集成的零件，以及为什么我个人更喜欢使用离散设计访问其中的许多零件。在本专栏中，我们将仅关注反馈控制循环中可以忽略的功能之一。
进行电源控制一直是电源设计中的一项特殊技能。在最新一轮的IC设计中，人们常常假装它不再是一个需要注意的功能，并且反馈回路的集成消除了进行正确的系统设计的机会。
线性稳压器
分立电源电路的集成已经在该行业中发生过。三十年前，当我们还没有开关要处理时，线性稳压器就占据了整个行业。复杂的设计由经验丰富的工程师生成，以优化参数，例如最小压降电压，瞬态响应时间，热特性，效率等。
设计人员在晶体管特性，热设计和反馈分析方面知识渊博。由于所有调节器均使用误差放大器来精确设置输出电压，因此反馈分析和测量是优化系统设计过程的一部分。
后来，标准解决方案进入了行业，导致了线性稳压器的集成。如今，几乎没有人考虑构建自己的线性稳压器，因为它已经被有效集成。在此过程中，无法访问反馈循环，但是似乎没有人对此表示关注。为什么不？好吧，线性稳压器的集成进行得相当顺利，这有三个原因–1）可预测性，2）与线路和负载变化的一致性以及3）低噪声。
线性稳压器的反馈非常简单。小信号模型就是电流源给电容器和负载电阻器供电的模型。系统控制回路设计的唯一变化是输出电容器的阻抗。除此之外，该系统是可预测的，并且可以轻松地进行仿真和建模，建模结果与测量结果非常吻合。
图1：一旦设计了分立元件，三端线性稳压器现在几乎总是完全集成在一起。不再有任何对控制回路的访问。
线性稳压器集成后，就没有机会更换控制器，除了更换输出电容器。输出电容器实际上是唯一不受控制的组件。但是，这部分几乎没有压力-它只是为了稳定系统并在负载瞬变期间提供能量。
将线性稳压器设计放入系统后，我们可以按照图2所示的简单模型来查看稳压器的特性。线性稳压器的输入阻抗是电流源，无论输入电压如何变化，电流消耗是固定的，等于输出电压除以负载电阻。调节器模型的输出只是一个电压源。
图2：只要线性稳压器控制环路稳定，电路模型就看起来像是输入端上的电流源（无限阻抗）和输出端上的电压源（非常低的阻抗）。很少有噪音引入系统。
由于线性稳压器不会产生任何明显的噪声，因此我们无需在系统板上引入任何复杂的滤波。结果，线性稳压器在板上的放置和集成几乎是一件微不足道的工作，并且不需要电力电子设计人员的参与（尽管存在散热问题，这也是我们的责任。）
开关电源的未来命运是否一样？控制器功能与功率设备和辅助电路的集成是否会使开关电源设计变得简单？
好吧，不是那么快。正如我们将在下面看到的，即使是最简单的开关电源，其特性也具有极大的复杂性。
PWM开关稳压器
所有开关稳压器中最基本的是降压转换器，如图3所示。它仅由四个电源组件和一个反馈回路组成，用红色表示。它看起来非常简单，但是随着电源设计人员数十年来的意识到，该系统具有很多复杂性。
图3：看似简单的降压转换器功率级包括一个开关，二极管（或同步整流器），电感器和电容器。反馈组件以红色显示，并带有用于传递函数测量的信号注入。一旦您完成了可靠且有效地打开和关闭半导体器件的第一步（这并非总是一件容易的事，尤其是在处理同步整流器或隔离式转换器时），那么您将剩下一个会产生大量噪声的电路，并且需要围绕它设计一个反馈环路以实现稳定的稳定输出。
在这里，我不会谈论开机和关机问题–稍后将讨论。但首先，让我们看一下控制循环问题。处理任何系统的控制的第一步是正确了解其工厂特征。对于图3的降压转换器，我们对功率级的性能很感兴趣，我们可以测量传递函数，该函数可以通过在将扫频正弦波源注入系统时查看Vo/Vi之比来显示这一点。我们可以在仿真程序中或在参考文献[1]中所述的硬件上执行此操作。
图4的蓝色和红色曲线显示了在高和低线路输入下工作的降压转换器的结果。它基本上只是一个LC滤波器特性，其增益取决于输入电压。
图4：此波德图显示了输入线，输出负载和温度随控制量的变化而变化的控制特性。在典型的10kHz分频频率下，转换器的相位可能相差120度，这对设计人员提出了严峻的挑战。
如果负载降低得足够少，转换器将进入非连续模式，如绿色曲线所示（同步整流器不会发生这种情况）。特征有很大的变化。如果您的系统中装有电解电容器，并且温度降低到零度以下，则可能会发生进一步的变化。
具有所有这些变化的最终增益和相位曲线范围比线性稳压器环路所看到的要差得多。并且这仅包括开关稳压器可能发生的基本影响。多个输出转换器和噪声问题[3]还有更多变化。
现在，让我们看一下如果成功构建具有这些可变特征的可接受的控制环会发生什么情况。闭环系统具有一个简化的模型，如图5所示。电源的输入阻抗看起来像一个负电阻，与线性稳压器的电流源完全不同。负电阻器是系统中的麻烦组件，经常导致振荡。
图5：即使您自己设法稳定降压转换器，但是一旦将其与适当的滤波器一起放入系统中以消除转换器的噪声，它也可能再次变得不稳定。负输入电阻会破坏电路板上其余部分的无源元件的稳定性。使用输入滤波器时，它可以在某些条件下主动激励电源所需的LC滤波器，因此必须格外小心选择滤波器组件。
滤波器的效果如图6所示。在绿色曲线中，电源的增益和相位有一个小斑点。设计仍然可以，但是它正在与过滤器交互。在红色曲线中，存在严重的相互作用，并且功率级突然在控制特性中具有额外的180度相位延迟。该电源很可能会不稳定。
图6：开关电源有噪声-必须在系统中添加LC滤波器以降低噪声。该图中的绿色曲线显示了设计合理的滤镜的效果控制特性。红色曲线表示电源不稳定时会发生什么。注意额外的180度相位延迟，其中输入滤波器在控制环路中创建一对复数RHP零。现在，整个电源范围在10kHz时的总相位变化超过300度！
可以创建更多的情况，但希望能指出这一点–开关电源将永远不会像线性稳压器那样直接插入设计中。必须进行适当的工程设计，以确保将切换器集成到系统中，并最大程度地保证切换器的可靠性。
尽管您可能会从尝试销售新电源管理产品的公司那里读到一些内容，但切换台的设计仍然是一项复杂的任务，需要适当的工程注意。确保相应地预算时间和金钱，并将适当的专业知识带入您的项目。
附加信息
[1]有关电源设计和分析的视频
[2]为期四天的电源设计研讨会
[3]测量电源控制回路
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