开关电源的第一个仿真实验

登录 · 发表于 2020-7-31 13:03

先说一些大道理，道理有感下面说法而发。

凡是30岁以上的工程师，尤其是混迹于职场，乃至于当过几天小leader的同志，应该非常熟悉我们这个古老民族的说话方式方法-----拍马屁。

在我们这个大环境下，一个人如果说话不拍马屁，就会被上面这些人鉴定成精神病！！！
在职场中不拍马屁，这个人会被说成不合群，会被同事排斥，职场会很危险。

当然了，如果你是老大，不但不需要拍，净等着人家拍你。

六哥延迟5年才播出的电视剧胜算，把这个MP技术描绘的入木三分，领导一讲话，使劲鼓掌，说领导的分析透彻，鞭辟入里，实际上心里一直在骂领导。

但是，我认为在职场和日常生活中讲话，要会溜须拍马，除非你能量足够大，大到可以说实话。
但技术论坛，可以实话实话，没必要使劲拍马屁，否则我看了会感到恶心的想呕吐。

言归正传，谈开关电源。

技术类书籍，相比较于理论研究，是简单的，最起来这些书看起来头不会疼。
而学习开关电源理论，和学习过电路基础后，第一次学模拟电路的过渡过程，是一摸一样的。

电路分析基础中主要研究RLC电路，加受控源，二极管，到了模拟电路中，要学习三极管，此时立马蒙圈，电路分析基础中没讲这个东西啊。

然后书上会给个模型，模型中的每一个等效原件，都是电路分析基础中学习过的，此时一切都变的熟悉了，分析起来也是驾轻就熟。

学习开关电源也是，在电路分析的基础上，多了个新鲜玩意----开关组合，这个时候又蒙圈了，不知如何下手。

然后和学习三极管模电一样，一旦把开关转换成用变压求以及受控源等效模型，立马一切都变的熟悉了，直流和小信号推导是简单的过程了。

登录 · 发表于 2020-7-31 13:20

学习开关电源，首先要熟悉PWM和Buck工作原理,此时仿真是个不错的选择。

当然了，实测更佳，毫无疑问。

但非常遗憾，绝大多学生的生活费，是买不起电流探头的，
开关电源这个东西，本身是非常好学的，但绝大多数人都买不起专业的研究工具。
下图这套研究电感/变压器的设备，一般人也买不起。

即便是二手的老掉牙的东西，也是1W+：

买不起设备，就做仿真实验吧。

第一步，下载个瞬态分析超快的电源仿真软件PSIM；

第二步，输入下面的原理图

或者直接下载附件，点击打开就行。

第三步，观察电感和输出电压等波形

登录 · 发表于 2020-7-31 15:50

本帖最后由 xukun977 于 2020-7-31 16:02 编辑

第一个任务:识别PWM开关的三端

先告诉读者，PWM开关是个单刀双投开关：

三个端口的命名是a、p和C

a是有源端active的缩写，p是无源端passive的缩写，c是common共同端的缩写。

于是根据英文名称就知道这三个端口的含义了，应该能根据具体电路，识别出PWM开关的a、p和c端在哪儿。

对于buck电路，请问a、p、c三端分别在哪儿？？？

很明显，电感的左端那儿，是两个开关的共同点，所以一眼就能看出来是C端

开关S1左端接电源（可以是通过L等元器件间接接到电源的），所以是a端。

S2下端是接到RC无源器件上的，所以叫P端。

再来看升压boost电路：

C端是最容易找的，接单刀的就是。剩下的a和P，一个确定不了，就先确定另一个。

再来看看邱克转换器：

登录 · 发表于 2020-7-31 16:14

本帖最后由 xukun977 于 2020-7-31 17:05 编辑

重点、关键点来了：

对于buck、boost和cuk等常见的两个开关状态的PWM转换器，
这个单刀双投开关上的电流和电压波形，具有不变性！！

网络名言：重要的事情要说三遍：

电流和电压波形，具有不变性
电流和电压波形，具有不变性
电流和电压波形，具有不变性

这个不变，意思是给出某个端口电流或电压，我们无法区分这个开关究竟是用于buck还是boost，抑或是其它两种。

这几种转换器，a和p端之间的电压Vap，都是直流电压。

为防止碰到杠精，强调一下开关电源中可以用小纹波近似，这里是直接忽略纹波。
例如对于升压boost电路，其输出电压视作直流电压（小纹波可省略）：

将纹波放大：

20V电压，纹波是0.06V，这个忽略不过分吧？

重点又来了，既然PWM开关是一样工作的，包括电压、电流波形的形状都相同，这意味着我们没有必要把所有类型电源都研究一遍了，只需要研究一个，就能触类旁通，其它的都懂了。

所以我们仿真个buck，看PWM开关的a端电流ia，以及共同端电流ic：

两个波形有重合（锯齿波上升部分），所以分别单独放大：

ia的波形：

ic的波形：

上图中的红线是ia，蓝线是ic，根据上图，能得出什么结论？？？

取平均值得直流，很明显ic要比ia大：

至此得到第一个重要关系式：

第一个特点，Vcp总是脉冲电压，而Vap总是直流（忽略纹波）：

很明显，取平均值Vcp要比Vap小，于是得到第二个关系式：

以上事实组合到一起：

眼尖的同志，一眼就看出来，这是个变压器模型啊：

这杨一来，开关电源对于我们来说，一点新鲜的感觉也没有了，因为电路分析基础课程中学习过变压器了。

登录 · 发表于 2020-7-31 17:25

本帖最后由 xukun977 于 2020-7-31 19:51 编辑

研究开关电源，第一步是弄懂基本工作原理，这方面有许多优秀教材。

第二步是照着具有实战性的教材，搭电路，测试电路。
这方面比较厉害的是日本的原田耕介，它在日本的【电子技术】发表的**合集，就是代表最实际的开关电源设计。
1997年出版的《交互式电源技术手册》---百度第一条就是，以及后来的开关电源手册：

开关电源大约有20种拓扑，我手头上有个德国产处理水的电源板，一个电路板上居然有下面的大约10种拓扑，普通电源工程师只能精通一两种电源拓扑，比如就擅长做反激正激，但能精通10几种电源设计，而且巧妙地根据各自特点，有机地结合起来，实现效率最大化，就是传说中的开关电源设计高手了。

扯淡完毕，收！！！！

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