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3.20.开关电源的环路结构

目录

  • 开关电源系统概述
  • 主功率级(Power Stage)结构
  • 控制环节(Control Stage)
  • 反馈环节(Feedback Stage)
  • 系统模块划分与功能整合

开关电源系统概述

开关电源本质上是一个具有反馈环路的闭环控制系统。 系统的稳定性与其传递函数(Transfer Function) 密切相关。 该传递函数由开关电源内部各功能模块的传递函数组合而成。

主功率级(Power Stage)结构

主功率级构成大电流回路,通常包括以下元件:

  • 输入电源 → 开关管(Switching Transistor) → 磁性元件 → 整流/滤波电路 → 输出
  • 磁性元件可以是:
    • 储能电感(Energy-storage Inductor)
    • 变压器(Transformer)(可选,用于隔离型拓扑)
  • 后续通常接有滤波器(Filter),其中电感本身也是储能元件。
  • 此部分统称为功率级(Power Stage),负责能量转换与传输。

控制环节(Control Stage)

为使功率级正常工作,需前置控制电路,其核心功能是生成 PWM(Pulse Width Modulation)控制信号,调节开关管的导通时间(占空比)。

控制信号生成流程如下:

  • PWM比较器(PWM Comparator) 接收两个输入:
    • 固定频率的锯齿波(Ramp Wave):决定开关频率。
    • 控制电压(Control Voltage):来自误差放大器输出。
  • 两者比较后,产生对应占空比的 PWM 信号,驱动开关管。
  • 此部分称为控制环节(Control Stage),包含脉宽调制(PWM Modulation) 模块。

    反馈环节(Feedback Stage)

    反馈回路从输出端采样,送至控制环节,形成闭环调节:

  • 采样方式:
    • 可直接从输出端采样;
    • 或通过分压器(Voltage Divider) 实现比例采样。
  • 采样信号输入至误差放大器(Error Amplifier),与参考电压(Reference Voltage) 比较,计算误差并放大,输出误差电压。
  • 误差电压传递路径有两种:
    • 直接输入至 PWM 比较器;
    • 经电气隔离后输入(常见于隔离型电源)。
  • 隔离元件通常为光耦(Optocoupler),用于实现初级与次级之间的电气隔离。
    • 光耦常与变压器配合使用。
  • 此部分统称为反馈环节(Feedback Stage)。

    系统模块划分与功能整合

    开关电源整体环路结构可划分为三大模块:

  • 功率级(Power Stage):执行能量转换。
  • 控制环节(Control Stage):生成 PWM 驱动信号。
  • 反馈环节(Feedback Stage):采样输出并调节控制信号。
  • 在某些分析模型中,控制环节与功率级可合并视为被控对象(Plant / Control Object),而反馈部分单独作为闭环调节单元。

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