開關(guān)電源是一種高效的電能轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應用于各種電子設(shè)備中。其工作原理基于功率晶體管的導通和關(guān)斷狀態(tài)，將輸入直流電壓斬波成一系列脈沖電壓，并通過變壓器實現(xiàn)電壓的升降和隔離。為了實現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定性和高性能，了解其小信號模型和環(huán)路原理是至關(guān)重要的。

一、開關(guān)電源的基本工作原理

開關(guān)電源通過高頻開關(guān)器件(如MOSFET或IGBT)的導通和關(guān)斷，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。當開關(guān)器件導通時，輸入電壓加到變壓器的初級繞組上，儲存能量;當開關(guān)器件關(guān)斷時，初級繞組中的電流迅速下降，根據(jù)電磁感應原理，次級繞組中感應出高頻脈沖電壓。通過整流和濾波，這些脈沖電壓轉(zhuǎn)換為平滑的直流輸出電壓。

開關(guān)電源的效率高，因為功率晶體管在導通和關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生的損耗較小。導通時，電壓低、電流大;關(guān)斷時，電壓高、電流小。這種工作方式使得開關(guān)電源的功率密度高，體積小，重量輕。

二、小信號模型

為了分析開關(guān)電源的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，需要建立其小信號模型。小信號模型是在穩(wěn)態(tài)工作點附近，對電路中的各變量附加小信號波動量，通過線性化處理得到的。雖然開關(guān)電源本質(zhì)上是非線性的，但在穩(wěn)態(tài)工作點附近，其小信號模型可以近似為線性系統(tǒng)，便于分析和設(shè)計。

以典型的Buck電路為例，Buck電路是一種降壓電路，其工作原理是通過控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。為了簡化分析，假設(shè)功率開關(guān)管和二極管為理想開關(guān)，濾波電感為理想電感(電阻為0)，電路工作在連續(xù)電流模式(CCM)下。

在穩(wěn)態(tài)時，Buck電路的輸出電壓是一個常數(shù)，與占空比D和輸入電壓成正比。當電路各狀態(tài)變量圍繞穩(wěn)態(tài)值波動時，可以通過線性化處理得到小信號模型。在頻域模型下，波特圖提供了一種簡單方便的工程分析方法，用于計算環(huán)路增益和進行穩(wěn)定性分析。

通過拉普拉斯變換，可以得到Buck電路在電感電流連續(xù)時的控制-輸出小信號傳遞函數(shù)。這些傳遞函數(shù)描述了輸入電壓、輸出電壓和電感電流之間的關(guān)系，是設(shè)計控制電路的基礎(chǔ)。

三、環(huán)路原理

開關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計是實現(xiàn)其穩(wěn)定性和高性能的關(guān)鍵。環(huán)路包括反饋網(wǎng)絡、誤差放大器、脈寬調(diào)制器(PWM)和主電路等部分。通過反饋網(wǎng)絡，將輸出電壓與設(shè)定值進行比較，得到誤差信號;誤差信號經(jīng)過誤差放大器放大后，與三角波進行比較，產(chǎn)生控制開關(guān)器件占空比的PWM信號。

電壓模式控制(VMC)

電壓模式控制僅采用單電壓環(huán)進行校正，比較簡單，容易實現(xiàn)。但VMC方法存在缺點：沒有可預測輸入電壓影響的電壓前饋機制，對瞬變的輸入電壓響應較慢，需要很高的環(huán)路增益;對由L和C產(chǎn)生的二階極點(產(chǎn)生180°的相移)沒有構(gòu)成補償，動態(tài)響應較慢。

平均電流模式控制(CMC)

平均電流模式控制含有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個環(huán)路。電壓環(huán)提供電感電流的給定值，電流環(huán)采用誤差放大器對送入的電感電流給定值和反饋信號之差進行比較、放大，得到的誤差放大器輸出再和三角波進行比較，最后得到控制占空比的開關(guān)信號。

電流環(huán)的設(shè)計原則是，不能使誤差放大器的輸出上升斜率超過三角波的上升斜率，兩者斜率相等時就是最優(yōu)。如果誤差放大器的輸出上升斜率超過三角波的上升斜率，會導致其峰值超過三角波的峰值，在下個周波時兩者可能不會相交，造成次諧波振蕩。

通過斜坡匹配的方法進行最優(yōu)設(shè)計后，PWM控制器的增益會隨占空比D的變化而變化。當D很大時，較小的誤差放大器輸出會引起D較大的改變;而D較小時，即使誤差放大器輸出變化很大，D的改變也不大，即增益下降。

在設(shè)計電流誤差放大器時，一般需要在高頻處形成一個高頻極點，以使高頻段的電流環(huán)開環(huán)增益以-40dB/dec的斜率下降，消除電流反饋波形上的高頻毛刺的影響，提高電流環(huán)的抗干擾能力。低頻下一般要加一個零點，使電流環(huán)開環(huán)增益變大，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

四、實際應用中的考慮

在實際應用中，開關(guān)電源的設(shè)計還需要考慮多種因素，如輸入電壓的變化范圍、負載的波動、保護電路的設(shè)置等。反饋環(huán)路中的電阻、電容等元件的選擇和布局也會影響開關(guān)電源的穩(wěn)定性和性能。此外，開關(guān)電源的電磁兼容性(EMC)設(shè)計也是不可忽視的重要方面。

通過合理的環(huán)路設(shè)計和元件選擇，可以實現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定性和高性能。同時，配合軟啟動電路、限流電路、鉗位電路和其他輔助部分，可以進一步提高開關(guān)電源的可靠性和安全性。

結(jié)語

開關(guān)電源的小信號模型和環(huán)路原理是實現(xiàn)其高性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。通過深入理解這些原理，可以設(shè)計出具有優(yōu)良動態(tài)和靜態(tài)性能的開關(guān)電源，滿足各種電子設(shè)備的需求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源的設(shè)計和應用將會更加廣泛和深入。