怎樣做好模塊電源外圍電路的EMC與防護(hù)設(shè)計(jì)？

置 導(dǎo)讀

隨著目前電子電力設(shè)計(jì)的發(fā)展，開關(guān)電源深入各種設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中。工程師們始終在尋找一種能夠使開關(guān)電源的效率發(fā)揮到最大的控制結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上，并沒有哪種控制結(jié)構(gòu)對(duì)開關(guān)電源來(lái)說(shuō)是最佳的。開關(guān)電源的最佳結(jié)構(gòu)只能說(shuō)是根據(jù)某種特定的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行選擇。所以，熟悉每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)是非常必要的。下面的討論將說(shuō)明電壓控制模式和電流控制模式的長(zhǎng)處和短處!

01 電壓模式控制

首先我們先從電壓模式控制說(shuō)起，這是最早的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)所采用的方法，而且多年來(lái)很好的滿足了電源的需求，基本的電壓模式控制圖如下圖1;

這種模式只存在一條電壓反饋通路，而脈寬調(diào)制通過(guò)將電壓誤差信號(hào)與一個(gè)恒定斜坡波形進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而電流限制必須通過(guò)外加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)!

一般定頻的PWM頻率不會(huì)隨反饋的變化而變化的，只是脈寬會(huì)變化，就是平常所說(shuō)的占空比，電壓模式的VR為一個(gè)固定參考點(diǎn)，電流模式可以把檢流的信號(hào)看成是一個(gè)參考點(diǎn)，當(dāng)電源進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)根據(jù)伏秒法則，VIN*TON=VOUT*TOFF.電源進(jìn)入穩(wěn)態(tài)不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定的。

02 電壓模式的優(yōu)點(diǎn)

1.采用單個(gè)反饋環(huán)路，因此比較容易設(shè)計(jì)和分析;

2.一個(gè)大幅度斜坡波形提供了用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)制過(guò)程的充分噪聲余量;

3.一個(gè)低阻抗功率輸出為多路輸出電源提供了更好的交叉調(diào)整率。

03 電壓模式的缺點(diǎn)

1.電壓或負(fù)載的任何變化都必須作為一個(gè)輸出變壓來(lái)檢測(cè)，然后通過(guò)反饋來(lái)校正。這就意味著緩慢的響應(yīng)速度;

2.輸出濾波器給控制環(huán)路增加了兩個(gè)極點(diǎn)，因而在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放大器時(shí)就需要將主導(dǎo)極點(diǎn)低頻衰減，或在補(bǔ)償中增加一個(gè)零點(diǎn)，來(lái)抵消極點(diǎn);

3.環(huán)路增益會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化，因而使補(bǔ)償進(jìn)一步復(fù)雜化。

上述缺點(diǎn)比較突出，所以電流模式控制使所有這些缺點(diǎn)得以減輕，因此已退出便得到工程師們的極大興趣，紛紛研究這種控制結(jié)構(gòu)!

04 電流控制模式

電流模式控制如下圖所示

? ? ? 由圖可見，基本的電流模式控制只把振蕩器作為一個(gè)固定頻率時(shí)鐘，并叢電感電流中得到的信號(hào)替代了斜坡波形

05 電流模式的優(yōu)點(diǎn)

1.由于電感電流以一個(gè)Vin-Vo所確定的斜率上升，因此對(duì)輸入電壓的變化該波形將立即作出響應(yīng)，從而消除了延遲響應(yīng)及隨著輸入變化而發(fā)生的增益變化。

2.由于誤差放大器現(xiàn)在控制電流，因此電感器的影響被降至最低，而且濾波器此時(shí)只給反饋環(huán)路提供單個(gè)極點(diǎn)，與類似的電壓模式相比既簡(jiǎn)化了補(bǔ)償，又獲得較高的增益帶寬。

3.固有的逐個(gè)脈沖電流限制，只需對(duì)來(lái)自誤差放大器的控制信號(hào)進(jìn)行嵌位即可(像常用的3843之類的芯片被嵌位至1V)，在電源并聯(lián)時(shí)易于實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。(比如可以緩解推挽拓?fù)涞钠努F(xiàn)象)

06 電流模式的缺點(diǎn)

盡管電流模式所提供的改進(jìn)有諸多好處，但也存在其特有的問題，必須在設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)去。以下簡(jiǎn)要的敘述下它的缺點(diǎn)：

1.有兩個(gè)反饋環(huán)路，增加了電路分析的難點(diǎn);

2.當(dāng)占空比大于50%時(shí)，控制環(huán)路將變得不穩(wěn)定，需另外采取斜率補(bǔ)償;

3.由于控制調(diào)制基于一個(gè)從輸出電流中得到的信號(hào)，因此功率級(jí)中的諧振會(huì)將噪聲引入控制環(huán)路;

4.由變壓器繞組電容及次級(jí)整流管反向回復(fù)電流引起的電流尖峰;

5.由于采用控制環(huán)來(lái)實(shí)施電流驅(qū)動(dòng)，因此負(fù)載調(diào)整率變差;

6.多路輸出時(shí)需要耦合電感器以獲得可接受的電壓調(diào)整率。

07 兩種模式的比對(duì)

雖然電流模式控制將放寬電壓模式控制的許多限制，但也帶來(lái)諸多設(shè)計(jì)難題。所以電壓模式現(xiàn)在又有新的改進(jìn)，那么這兩項(xiàng)改進(jìn)主要是電壓前饋和高頻能力，前者用于消除電壓變化的影響，后者則將輸出濾波器的極點(diǎn)置于標(biāo)準(zhǔn)控制環(huán)路帶寬范圍以外。

電壓前饋是通過(guò)使斜坡波形的斜率與輸入電壓成正比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣就提供了一個(gè)對(duì)應(yīng)和校正的占空比調(diào)制，而無(wú)需反饋環(huán)路采取任何動(dòng)作。獲得了一個(gè)恒定的控制環(huán)路增益和針對(duì)輸入電壓變化的瞬時(shí)響應(yīng)。

高頻是通過(guò)對(duì)IC使用BiCOMS加工工藝而得以實(shí)現(xiàn)的，這產(chǎn)生了較小的寄生電容和較低的電路延遲。所以電壓控制模式的許多問題都有所緩解。

08 根據(jù)情況選模式

電壓模式和電流模式都是可以選取的，只是針對(duì)每一種特定應(yīng)用，某些設(shè)計(jì)那種控制模式更適合。

以下場(chǎng)合可以考慮使用電流模式：

1.電源輸出將是一個(gè)電流源或非常高的輸出電壓;

2.對(duì)于某個(gè)給定的開關(guān)頻率，需要最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng);

3.應(yīng)用針對(duì)的是一個(gè)輸入變化相對(duì)受限的DC-DC轉(zhuǎn)換器;

4.需要可并聯(lián)性和負(fù)載均分的模塊化應(yīng)用;

5.在變壓器磁通很重要的推挽電路中;

6.在要求使用極少組件的低成本應(yīng)用中。

以下場(chǎng)合可以考慮使用具有前饋功能的電壓模式：

1.有可能存在很寬的輸入電壓和/或輸出負(fù)載變化范圍;

2.特別是在低電壓-輕負(fù)載條件下，此時(shí)，電流斜坡斜率過(guò)于平緩，不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PWM操作;

3.高功率應(yīng)用和/或噪聲應(yīng)用(這里，電流波形上的噪聲將難以控制);

4.需要多個(gè)輸出電壓以及較好的交叉調(diào)整性能;

5.可飽和電抗器控制器將被用作輔助次級(jí)側(cè)穩(wěn)壓器;

6.需要避免雙反饋環(huán)路和/或斜率補(bǔ)償之復(fù)雜性的應(yīng)用。

09 總結(jié)

本篇文章主要對(duì)開關(guān)電源當(dāng)中的電流模式及電壓模式的特點(diǎn)及區(qū)別進(jìn)行介紹，并且對(duì)最新的電壓模式的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。希望大家能夠從這邊文章當(dāng)中學(xué)習(xí)到有用的知識(shí)，或者借由本篇文章的知識(shí)點(diǎn)舉一反三發(fā)現(xiàn)一些新的知識(shí)點(diǎn)。

審核編輯：黃飛

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