解析开关电源各种波形的由来-开关电源波形图文分析

开关电源

本文主要讲开关(guan)(guan)电(dian)源各种(zhong)波形的(de)(de)由来。开关(guan)(guan)模式电(dian)源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换(huan)式电(dian)源、开关(guan)(guan)变换(huan)器，是(shi)(shi)(shi)一种(zhong)高(gao)频(pin)化(hua)电(dian)能转(zhuan)换(huan)装置，是(shi)(shi)(shi)电(dian)源供应(ying)器的(de)(de)一种(zhong)。其功能是(shi)(shi)(shi)将一个位准(zhun)的(de)(de)电(dian)压，透过不同形式的(de)(de)架构(gou)转(zhuan)换(huan)为(wei)用户端所需(xu)求(qiu)的(de)(de)电(dian)压或电(dian)流(liu)。开关(guan)(guan)电(dian)源的(de)(de)输入多半是(shi)(shi)(shi)交流(liu)电(dian)源（例如市电(dian)）或是(shi)(shi)(shi)直流(liu)电(dian)源，而(er)输出多半是(shi)(shi)(shi)需(xu)要直流(liu)电(dian)源的(de)(de)设备，例如个人电(dian)脑，而(er)开关(guan)(guan)电(dian)源就进行(xing)两者之间电(dian)压及(ji)电(dian)流(liu)的(de)(de)转(zhuan)换(huan)。

1、开关电源各种波形-单管反激电路基本结构

2、开关电源各种波形-两种模式DCM 和CCM

1） CCM和DCM模式判断依据

CCM和DCM的判(pan)断(duan)，不是(shi)按照初级(ji)电流(liu)是(shi)否连续来(lai)判(pan)断(duan)的。而是(shi)根据初、次(ci)(ci)级(ji)的电流(liu)合(he)成来(lai)判(pan)断(duan)的。只要初、次(ci)(ci)级(ji)电流(liu)不同(tong)是(shi)为零，就(jiu)是(shi)CCM模式(shi)。而如果存(cun)在初、次(ci)(ci)级(ji)电流(liu)同(tong)时为零的状态，就(jiu)是(shi)DCM模式(shi)。介于二(er)者之间的就(jiu)是(shi)BCM模式(shi)。

2） 两种(zhong)模(mo)式(shi)在波形上的(de)区(qu)别(bie)

a. 变压器初(chu)级电流，CCM模式是梯(ti)形波(bo)，而DCM模式是三角波(bo)。

b. 次级(ji)整流管电流波(bo)形，CCM模式是梯形波(bo)，DCM模式是三(san)角波(bo)。

c. MOS的Vds波(bo)(bo)形，CCM模式，在下(xia)一(yi)(yi)个(ge)周期(qi)开通前，Vds一(yi)(yi)直维持(chi)在Vin+Vf的平台上。而DCM模式，在下(xia)一(yi)(yi)个(ge)周期(qi)开通前，Vds会从Vin+Vf这个(ge)平台降下(xia)来发生阻尼振荡。（Vf次级反(fan)射到原(yuan)边电压） 。因(yin)此(ci)我们就可(ke)以很容易从波(bo)(bo)形上看(kan)出来反(fan)激(ji)电源(yuan)是(shi)工作在CCM还是(shi)DCM状态。

3、开关电源各种波形-MOSFET在开通和关断瞬间寄生参数对波形的影响

在(zai)MOS关(guan)断(duan)的(de)(de)时(shi)候，Vds的(de)(de)波形显示，MOS上的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)(ya)远超过Vin+Vf！这(zhei)是(shi)因为变压(ya)(ya)(ya)器(qi)的(de)(de)初(chu)级(ji)有(you)漏(lou)感。漏(lou)感的(de)(de)能(neng)量(liang)是(shi)不(bu)会通过磁(ci)芯(xin)耦合(he)到次级(ji)的(de)(de)。那么(me)MOS关(guan)断(duan)过程中，漏(lou)感电(dian)流(liu)也是(shi)不(bu)能(neng)突(tu)变的(de)(de)。漏(lou)感的(de)(de)电(dian)流(liu)变化也会产生感应电(dian)动势，这(zhei)个感应电(dian)动势因为无(wu)法被(bei)次级(ji)耦合(he)而箝位，电(dian)压(ya)(ya)(ya)会冲的(de)(de)很高。那么(me)为了避免(mian)MOS被(bei)电(dian)压(ya)(ya)(ya)击穿而损(sun)坏，所以我们在(zai)初(chu)级(ji)侧加(jia)了一个RCD吸(xi)收(shou)缓冲电(dian)路，把漏(lou)感能(neng)量(liang)先储存在(zai)电(dian)容里(li)，然后通过R消耗掉。

当次(ci)级(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)(dian)流降到了(le)零，这意味着磁(ci)芯中的能量已(yi)经完全释(shi)放(fang)了(le)。那么因为二(er)管电(dian)(dian)(dian)(dian)流降到了(le)零，二(er)极(ji)管也(ye)就(jiu)自动截止了(le)，次(ci)级(ji)相当于(yu)开(kai)路状态，输出电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)不(bu)再反射回(hui)初级(ji)了(le)。由于(yu)此(ci)时(shi)MOS的Vds电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)高(gao)于(yu)输入电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，所(suo)以(yi)在(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)差的作用下，MOS的结电(dian)(dian)(dian)(dian)容和初级(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)感发生谐(xie)振(zhen)。谐(xie)振(zhen)电(dian)(dian)(dian)(dian)流给(ji)MOS的结电(dian)(dian)(dian)(dian)容放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)。Vds电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)开(kai)始(shi)下降，经过1/4之一个谐(xie)振(zhen)周(zhou)期后(hou)又开(kai)始(shi)上升。由于(yu)RCD箝位电(dian)(dian)(dian)(dian)路以(yi)及(ji)其它(ta)寄生电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的存在(zai)，这个振(zhen)荡是个阻(zu)尼振(zhen)荡，幅度越来(lai)越小。

f1比f2大很(hen)(hen)多(duo)（从波(bo)形上可以看出(chu)），这是由(you)于漏感一般相对较小；同(tong)时(shi)由(you)于f1所在回路阻抗(kang)比较小，谐振电流较大，所以能够很(hen)(hen)快消(xiao)耗(hao)在等(deng)效(xiao)电阻上，这也(ye)就(jiu)是为什么f1所在回路很(hen)(hen)快就(jiu)谐振结(jie)束的(de)原因！（具体(ti)谐振时(shi)间可以通过等(deng)效(xiao)模型求解二次微(wei)分方程(cheng)估算(suan)）

1） CCM（Vds，Ip）

2）其他一些波形(xing)分析（次级输出电压(ya)Vs，Is, Vds）

不管是(shi)在CCM模式还是(shi)DCM模式，在mosfet开通on时刻(ke)，变压器副边都有(you)震荡(dang)。主要原因(yin)是(shi)初(chu)次级之间的漏(lou)感+输出(chu)肖(xiao)特(te)基(ji)（或快恢(hui)复）结电容(rong)+输出(chu)电容(rong)谐振引起(qi)，在CCM模式下(xia)与肖(xiao)特(te)基(ji)的反向恢(hui)复电流也一些关系。故一般(ban)在输出(chu)肖(xiao)特(te)基(ji)上并联一个(ge)RC来吸收，使肖(xiao)特(te)基(ji)应力减(jian)小(xiao)。

不管(guan)是在(zai)CCM模(mo)式(shi)还是DCM模(mo)式(shi)，在(zai)mosfet关断off时刻(ke)，变(bian)压器副边电(dian)流Is波形都有一些震荡(dang)。主(zhu)要原(yuan)因是次级电(dian)感+肖(xiao)特(te)基接电(dian)容+输出(chu)电(dian)容之(zhi)间的谐振造(zao)成的。

3）RCD吸收电路对Vds的影响(xiang)

在MOS关断(duan)的(de)(de)时候，Vds的(de)(de)波形显示，MOS上(shang)的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)远超过Vin+Vf！这(zhei)是因为(wei)(wei)，变压(ya)(ya)器(qi)的(de)(de)初(chu)级(ji)有漏(lou)感(gan)(gan)。漏(lou)感(gan)(gan)的(de)(de)能量(liang)是不会(hui)(hui)通过磁芯(xin)耦合(he)到次(ci)级(ji)的(de)(de)。那(nei)么MOS关断(duan)过程中，漏(lou)感(gan)(gan)电(dian)流(liu)也是不能突变的(de)(de)。漏(lou)感(gan)(gan)的(de)(de)电(dian)流(liu)变化也会(hui)(hui)产生感(gan)(gan)应电(dian)动(dong)势(shi)，这(zhei)个(ge)感(gan)(gan)应电(dian)动(dong)势(shi)因为(wei)(wei)无法(fa)被(bei)次(ci)级(ji)耦合(he)而(er)箝位，电(dian)压(ya)(ya)会(hui)(hui)冲的(de)(de)很高(gao)。那(nei)么为(wei)(wei)了避(bi)免MOS被(bei)电(dian)压(ya)(ya)击穿而(er)损(sun)坏，所以我们(men)在初(chu)级(ji)侧(ce)加了一个(ge)RCD吸收(shou)缓冲电(dian)路，把(ba)漏(lou)感(gan)(gan)能量(liang)先储存在电(dian)容里(li)，然(ran)后通过R消(xiao)耗掉。

4）Vgs波形

为使mosfet在开通(tong)时(shi)间(jian)的上升(sheng)沿比较陡，进(jin)而提(ti)高效率(lv)。在布线(xian)时(shi)驱动信号(hao)尽量通(tong)过(guo)双线(xian)接到mosfet的G、S端，同(tong)时(shi)连接尽量短些(xie)。

4、开关电源各种波形-设计时需注意点

1）尽量使反(fan)激(ji)电路最(zui)大工作占(zhan)空(kong)(kong)比(bi)小于50%，若(ruo)要(yao)使占(zhan)空(kong)(kong)比(bi)工作在大于50%，为避免(mian)次谐波震(zhen)荡，需加上(shang)斜率补偿(chang)，此外还需注意(yi)变压(ya)器能否磁复位。由(you)于mosfet导通和关断需要(yao)一(yi)定的时间，同一(yi)批(pi)次的变压(ya)器单体之间也有差异，建议反(fan)激(ji)最(zui)大工作占(zhan)空(kong)(kong)比(bi)小于45%。

2）反激的(de)功率地(di)和控制(zhi)地(di)的(de)连接须注意单(dan)点(dian)接地(di)，特别是在(zai)哪(na)个(ge)地(di)方进行单(dan)点(dian)接地(di)需慎重(zhong)。为有效地(di)吸收地(di)噪声(sheng)（mosfet的(de)开通和关(guan)断），输入(ru)电(dian)容的(de)一个(ge)脚(jiao)尽(jin)量靠近共地(di)点(dian)。

3）由于电压外环的PID输(shu)出(chu)(chu)与电流内(nei)环进行比较来决定占空比，事实上PID的输(shu)出(chu)(chu)不是一条(tiao)绝对直线(xian)，它是在(zai)直流的基础上叠加了一个低(di)频分量，为保(bao)证输(shu)出(chu)(chu)稳定，在(zai)设(she)计时需使内(nei)环带(dai)宽比外环带(dai)宽大于10倍以上。

上述(shu)波(bo)形一般在开始调(diao)环路或(huo)者在输入VIN比(bi)较高(gao)时经常会(hui)出现，主(zhu)要原因是(shi)外(wai)环的带(dai)宽太(tai)快了，为使(shi)系统稳定，需减小带(dai)宽，一般可通过减小比(bi)例P或(huo)者增(zeng)大积分C来解决。

开关电源的基本组成

开关电源(yuan)大(da)(da)致(zhi)由主电路、控制(zhi)电路、检测电路、辅(fu)助(zhu)电源(yuan)四大(da)(da)部份(fen)组成(cheng)。

1、主(zhu)电路

冲(chong)(chong)击电流(liu)限幅：限制接通电源(yuan)瞬间(jian)输入侧的冲(chong)(chong)击电流(liu)。

输入(ru)滤波器：其作(zuo)用是过滤电网存在的杂波及(ji)阻碍本机产(chan)生的杂波反馈(kui)回电网。

整(zheng)流(liu)与(yu)滤波：将电网交流(liu)电源直接整(zheng)流(liu)为(wei)较(jiao)平滑的直流(liu)电。

逆变：将整流后的直流电变为高频(pin)交(jiao)流电，这是高频(pin)开关(guan)电源的核心(xin)部(bu)分。

输出整(zheng)流与滤(lv)波(bo)：根(gen)据负载需要，提供稳定可靠(kao)的直流电(dian)源(yuan)。

2、控制电路

一方面从输(shu)出端(duan)取样，与设定(ding)值进行比(bi)较，然(ran)后去(qu)控(kong)制逆(ni)变器，改变其脉宽或(huo)脉频，使输(shu)出稳定(ding)，另一方面，根据测试(shi)电(dian)路提(ti)供(gong)的数(shu)据，经保护(hu)电(dian)路鉴别，提(ti)供(gong)控(kong)制电(dian)路对电(dian)源进行各种保护(hu)措(cuo)施。

3、检测电路

提供保护电(dian)路中(zhong)正在运(yun)行中(zhong)各(ge)种参数和(he)各(ge)种仪表数据。

4、辅(fu)助电源(yuan)

实(shi)现电(dian)源的软件（远(yuan)程）启动(dong)，为保护电(dian)路和(he)控制电(dian)路（PWM等(deng)芯片）工作供电(dian)。

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