模塊電源外圍電路EMC與防護設計

怎樣做好模塊電源外圍電路的EMC與防護設計？

置 導讀

隨著目前電子電力設計的發展，開關電源深入各種設備的設計當中。工程師們始終在尋找一種能夠使開關電源的效率發揮到最大的控制結構，但實際上，并沒有哪種控制結構對開關電源來說是最佳的。開關電源的最佳結構只能說是根據某種特定的應用來進行選擇。所以，熟悉每種方法的優缺點是非常必要的。下面的討論將說明電壓控制模式和電流控制模式的長處和短處!

01 電壓模式控制

首先我們先從電壓模式控制說起，這是最早的開關穩壓器設計所采用的方法，而且多年來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，而脈寬調制通過將電壓誤差信號與一個恒定斜坡波形進行比較來實現的。而電流限制必須通過外加電路來實現!

一般定頻的PWM頻率不會隨反饋的變化而變化的，只是脈寬會變化，就是平常所說的占空比，電壓模式的VR為一個固定參考點，電流模式可以把檢流的信號看成是一個參考點，當電源進入穩態時根據伏秒法則，VIN*TON=VOUT*TOFF.電源進入穩態不會出現信號不穩定的。

02 電壓模式的優點

1.采用單個反饋環路，因此比較容易設計和分析;

2.一個大幅度斜坡波形提供了用于實現穩定調制過程的充分噪聲余量;

3.一個低阻抗功率輸出為多路輸出電源提供了更好的交叉調整率。

03 電壓模式的缺點

1.電壓或負載的任何變化都必須作為一個輸出變壓來檢測，然后通過反饋來校正。這就意味著緩慢的響應速度;

2.輸出濾波器給控制環路增加了兩個極點，因而在補償設計誤差放大器時就需要將主導極點低頻衰減，或在補償中增加一個零點，來抵消極點;

3.環路增益會隨著輸入電壓的變化而變化，因而使補償進一步復雜化。

上述缺點比較突出，所以電流模式控制使所有這些缺點得以減輕，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構!

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固定頻率時鐘，并叢電感電流中得到的信號替代了斜坡波形

05 電流模式的優點

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

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

3.固有的逐個脈沖電流限制，只需對來自誤差放大器的控制信號進行嵌位即可(像常用的3843之類的芯片被嵌位至1V)，在電源并聯時易于實現負載均分。(比如可以緩解推挽拓撲的偏磁現象)

06 電流模式的缺點

盡管電流模式所提供的改進有諸多好處，但也存在其特有的問題，必須在設計中考慮進去。以下簡要的敘述下它的缺點：

1.有兩個反饋環路，增加了電路分析的難點;

2.當占空比大于50%時，控制環路將變得不穩定，需另外采取斜率補償;

3.由于控制調制基于一個從輸出電流中得到的信號，因此功率級中的諧振會將噪聲引入控制環路;

4.由變壓器繞組電容及次級整流管反向回復電流引起的電流尖峰;

5.由于采用控制環來實施電流驅動，因此負載調整率變差;

6.多路輸出時需要耦合電感器以獲得可接受的電壓調整率。

07 兩種模式的比對

雖然電流模式控制將放寬電壓模式控制的許多限制，但也帶來諸多設計難題。所以電壓模式現在又有新的改進，那么這兩項改進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置于標準控制環路帶寬范圍以外。

電壓前饋是通過使斜坡波形的斜率與輸入電壓成正比來實現的。這樣就提供了一個對應和校正的占空比調制，而無需反饋環路采取任何動作。獲得了一個恒定的控制環路增益和針對輸入電壓變化的瞬時響應。

高頻是通過對IC使用BiCOMS加工工藝而得以實現的，這產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，只是針對每一種特定應用，某些設計那種控制模式更適合。

以下場合可以考慮使用電流模式：

1.電源輸出將是一個電流源或非常高的輸出電壓;

2.對于某個給定的開關頻率，需要最快的動態響應;

3.應用針對的是一個輸入變化相對受限的DC-DC轉換器;

4.需要可并聯性和負載均分的模塊化應用;

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用中。

以下場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/或輸出負載變化范圍;

2.特別是在低電壓-輕負載條件下，此時，電流斜坡斜率過于平緩，不利于實現穩定的PWM操作;

3.高功率應用和/或噪聲應用(這里，電流波形上的噪聲將難以控制);

4.需要多個輸出電壓以及較好的交叉調整性能;

5.可飽和電抗器控制器將被用作輔助次級側穩壓器;

6.需要避免雙反饋環路和/或斜率補償之復雜性的應用。

09 總結

本篇文章主要對開關電源當中的電流模式及電壓模式的特點及區別進行介紹，并且對最新的電壓模式的特點進行了總結。希望大家能夠從這邊文章當中學習到有用的知識，或者借由本篇文章的知識點舉一反三發現一些新的知識點。

審核編輯：黃飛

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