解析開關電源各種波形的由來-開關電源波形圖文分析

開關電源

本文主要講開關電源各種波形的由來。開關模式電源（Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設備，例如個人電腦，而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。

1、開關電源各種波形-單管反激電路基本結構

2、開關電源各種波形-兩種模式DCM 和CCM

1） CCM和DCM模式判斷依據

CCM和DCM的判斷，不是按照初級電流是否連續來判斷的。而是根據初、次級的電流合成來判斷的。只要初、次級電流不同是為零，就是CCM模式。而如果存在初、次級電流同時為零的狀態，就是DCM模式。介于二者之間的就是BCM模式。

2） 兩種模式在波形上的區別

a. 變壓器初級電流，CCM模式是梯形波，而DCM模式是三角波。

b. 次級整流管電流波形，CCM模式是梯形波，DCM模式是三角波。

c. MOS的Vds波形，CCM模式，在下一個周期開通前，Vds一直維持在Vin+Vf的平臺上。而DCM模式，在下一個周期開通前，Vds會從Vin+Vf這個平臺降下來發生阻尼振蕩。（Vf次級反射到原邊電壓） 。因此我們就可以很容易從波形上看出來反激電源是工作在CCM還是DCM狀態。

3、開關電源各種波形-MOSFET在開通和關斷瞬間寄生參數對波形的影響

在MOS關斷的時候，Vds的波形顯示，MOS上的電壓遠超過Vin+Vf！這是因為變壓器的初級有漏感。漏感的能量是不會通過磁芯耦合到次級的。那么MOS關斷過程中，漏感電流也是不能突變的。漏感的電流變化也會產生感應電動勢，這個感應電動勢因為無法被次級耦合而箝位，電壓會沖的很高。那么為了避免MOS被電壓擊穿而損壞，所以我們在初級側加了一個RCD吸收緩沖電路，把漏感能量先儲存在電容里，然后通過R消耗掉。

當次級電感電流降到了零，這意味著磁芯中的能量已經完全釋放了。那么因為二管電流降到了零，二極管也就自動截止了，次級相當于開路狀態，輸出電壓不再反射回初級了。由于此時MOS的Vds電壓高于輸入電壓，所以在電壓差的作用下，MOS的結電容和初級電感發生諧振。諧振電流給MOS的結電容放電。Vds電壓開始下降，經過1/4之一個諧振周期后又開始上升。由于RCD箝位電路以及其它寄生電阻的存在，這個振蕩是個阻尼振蕩，幅度越來越小。

f1比f2大很多（從波形上可以看出），這是由于漏感一般相對較小；同時由于f1所在回路阻抗比較小，諧振電流較大，所以能夠很快消耗在等效電阻上，這也就是為什么f1所在回路很快就諧振結束的原因！（具體諧振時間可以通過等效模型求解二次微分方程估算）

1） CCM（Vds，Ip）

2）其他一些波形分析（次級輸出電壓Vs，Is, Vds）

不管是在CCM模式還是DCM模式，在mosfet開通on時刻，變壓器副邊都有震蕩。主要原因是初次級之間的漏感+輸出肖特基（或快恢復）結電容+輸出電容諧振引起，在CCM模式下與肖特基的反向恢復電流也一些關系。故一般在輸出肖特基上并聯一個RC來吸收，使肖特基應力減小。

不管是在CCM模式還是DCM模式，在mosfet關斷off時刻，變壓器副邊電流Is波形都有一些震蕩。主要原因是次級電感+肖特基接電容+輸出電容之間的諧振造成的。

3）RCD吸收電路對Vds的影響

在MOS關斷的時候，Vds的波形顯示，MOS上的電壓遠超過Vin+Vf！這是因為，變壓器的初級有漏感。漏感的能量是不會通過磁芯耦合到次級的。那么MOS關斷過程中，漏感電流也是不能突變的。漏感的電流變化也會產生感應電動勢，這個感應電動勢因為無法被次級耦合而箝位，電壓會沖的很高。那么為了避免MOS被電壓擊穿而損壞，所以我們在初級側加了一個RCD吸收緩沖電路，把漏感能量先儲存在電容里，然后通過R消耗掉。

4）Vgs波形

為使mosfet在開通時間的上升沿比較陡，進而提高效率。在布線時驅動信號盡量通過雙線接到mosfet的G、S端，同時連接盡量短些。

4、開關電源各種波形-設計時需注意點

1）盡量使反激電路最大工作占空比小于50%，若要使占空比工作在大于50%，為避免次諧波震蕩，需加上斜率補償，此外還需注意變壓器能否磁復位。由于mosfet導通和關斷需要一定的時間，同一批次的變壓器單體之間也有差異，建議反激最大工作占空比小于45%。

2）反激的功率地和控制地的連接須注意單點接地，特別是在哪個地方進行單點接地需慎重。為有效地吸收地噪聲（mosfet的開通和關斷），輸入電容的一個腳盡量靠近共地點。

3）由于電壓外環的PID輸出與電流內環進行比較來決定占空比，事實上PID的輸出不是一條絕對直線，它是在直流的基礎上疊加了一個低頻分量，為保證輸出穩定，在設計時需使內環帶寬比外環帶寬大于10倍以上。

上述波形一般在開始調環路或者在輸入VIN比較高時經常會出現，主要原因是外環的帶寬太快了，為使系統穩定，需減小帶寬，一般可通過減小比例P或者增大積分C來解決。

開關電源的基本組成

開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

1、主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。

整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。

2、控制電路

一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

3、檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。

4、輔助電源

實現電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

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