開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一般考慮

電池輸出電流和輸出電壓的關(guān)系還與溫度以及電池剩余電荷量有關(guān)。如果放電電流太大，會損傷電池。幾乎所有電池，如果在遠(yuǎn)低于它的工作溫度下放電，也會損壞電池。例如密封鉛酸電池在低于－10℃不能工作,這就是為什么在很冷的天氣發(fā)動不了你的汽車。

制造廠標(biāo)定電池的容量一般以電池具有的電荷量－安時(shí)（電流×?xí)r間＝電荷AH）來表示。這使得電源設(shè)計(jì)者感到為難，你不能夠簡單得到電池輸出參數(shù)與多大能量的關(guān)系，因?yàn)樗坏扔陔姵厝萘砍艘暂敵鲭妷?；何況輸出電壓又與輸出電流有關(guān)。這些參數(shù)關(guān)系由制造廠以曲線形式提供的，而曲線似乎不能直接找到你設(shè)計(jì)需要的工作點(diǎn)，需要從這些曲線來回參照得到你需要的數(shù)據(jù)。你自己測試電池是不切實(shí)際的，因?yàn)槊總€(gè)制造廠制造的電池總有些小的差別，所以你不能假定每個(gè)電池具有相同的化學(xué)特性和安時(shí)定額，以及它們在同一場合具有相同的運(yùn)行時(shí)間。

另一個(gè)現(xiàn)象是自放電。如果你充好電的電池放置在那里，不接任何負(fù)載，它自己會逐漸失去存儲的能量。失去能量所需要的時(shí)間與化學(xué)工作介質(zhì)有關(guān)：如NiH電池24小時(shí)；密封鉛酸蓄電池在溫度25℃下約16月容量損失50%，溫度升高10℃,時(shí)間縮短一半。而某些鋰電池可達(dá)幾年不等。所以放置不用的鉛酸電池一般每3個(gè)月得進(jìn)行充放電維護(hù)一次。

電池不可能無限期充放電使用，電池也有壽命。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，電池經(jīng)過多次充電/放電周期以后，不再能存儲額定容量，這個(gè)時(shí)間就是電池壽命的終止。它取決于電池如何工作，它經(jīng)歷了多少個(gè)充電/放電周期，放電的深度如何等等。例如，鉛酸密封電池放電深度50%額定容量，充放電可達(dá)500～600次；放電深度100%，壽命僅200～300充放電周期。即使電池用于備份，所謂浮充狀態(tài)（總是保持充滿狀態(tài)），在5～10年內(nèi)也需要更換。

電池是一個(gè)不愉快的能源，它也是一個(gè)不舒服的負(fù)載。當(dāng)你對電池補(bǔ)充充電－均衡充電時(shí)，你不能用一個(gè)電壓源對其充電，因?yàn)殡姵爻潆婋娏髋c電壓成指數(shù)關(guān)系，會造成充電電流熱失控，將導(dǎo)致電池?fù)p壞。因此所有類型電池充電必須采取限流措施。如果電池充滿，即達(dá)到額定電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到浮充電狀態(tài)，補(bǔ)充自放電失去的能量，以保證電池保持滿容量狀態(tài)。

手冊中指定充電電流（放電電流也一樣）稱為“C”。1C定額是假定電池充電1小時(shí)達(dá)到電池的額定容量值：例如以1C（20A）對20AH電池充電一小時(shí)的電池容量為1×20A=20AH。鉛酸電池通常均衡充電電流小于0.3C。均衡充電一般首先以0.15C恒流充電一定時(shí)間，當(dāng)達(dá)到容量的90%后，再轉(zhuǎn)換到恒壓充電，進(jìn)入浮充狀態(tài)。浮充電壓通常由生產(chǎn)廠家設(shè)置。環(huán)境溫度25℃時(shí)，一般按單體電池電壓2.23V～2.35V（大部分用2.23V～2.25V）之間設(shè)置浮充電壓。環(huán)境溫度每升高1℃,浮充電壓下降0.005V。充滿電時(shí)單體電池端電壓在2.23V左右。過充電和充電電流過大都會損傷電池，使電池壽命大大縮短。電池充足后，維持自放電浮充電流，一般在0.05C以下。鉛酸電池還不能過放電，一般認(rèn)為單體電池端電壓達(dá)到1.75V應(yīng)當(dāng)終止放電。所以，要正確使用電池應(yīng)當(dāng)對電池的充、放電電壓、電流和容量（電流和時(shí)間積分）進(jìn)行檢測和控制，才能保證電池的長壽命。

各種不同化學(xué)機(jī)理的電池－鉛酸電池，鋰電池，鎳鎘電池，鋅－空氣和鎳氫（NiH）電池，無論那種，都具有自身的特性。所以你得花費(fèi)一定時(shí)間去研究它們。最好的辦法是去找愿意和你緊密合作的制造商，并認(rèn)真地聽取他們忠告。

1.3負(fù)載

開關(guān)電源供給各種不同的負(fù)載，各種負(fù)載都有自己的特性，負(fù)載對開關(guān)電源提出符合自己特性的要求。因此開關(guān)電源設(shè)計(jì)者必須了解負(fù)載特性，才能做好符合要求的電源。前面討論了蓄電池一般特性，如果開關(guān)電源作為充電器對電池充電。則開關(guān)電源必須具有恒流充電和浮充能力。這里不再討論。下面分別簡要說明其它負(fù)載要求

1.3.1 計(jì)算機(jī)電源

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)要求電源高速切換?，F(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)電源為3.3V，從數(shù)據(jù)庫調(diào)出數(shù)據(jù)，要求電源能適應(yīng)30A/μs負(fù)載躍變。舉例來說，假定負(fù)載從零變化到7A，花的時(shí)間小于1μs。如果你的開關(guān)電源的帶寬20kHz，要變化到新的負(fù)載水平時(shí)間為1/20kHz＝50μs，假設(shè)電流上升是線性的，那么你尚缺少的電荷量是(7A/2)50μs=175μC，如果允許3.3V電壓波動是66mV，如果此瞬態(tài)能量由電容提供，你應(yīng)當(dāng)需要175μC/66mV=3mF才能避免電壓跌落超過允許值。

值得注意的是你不能用一個(gè)3300μF電容達(dá)到這個(gè)目的，而是應(yīng)當(dāng)用許多小電容并聯(lián)。這是因?yàn)槟妇€上電壓跌落并不是變換器的帶寬限制，而是電容的ESR造成的。你需要最大ESR為66mV/7A＝9mΩ的電容。如果每個(gè)電容的ESR近似為100mΩ，需要11個(gè)電容并聯(lián)，最好選擇300μF的鉭電容。當(dāng)然這種計(jì)算是假定變換器輸出到負(fù)載連線是無電感和電阻的，如果引線長，你就需要更高性能的電源。

在以上計(jì)算中另一個(gè)假定是變換器有足夠的大信號響應(yīng)。穩(wěn)定性在以后詳細(xì)討論，但你必須確定滿足小信號響應(yīng)誤差放大器的擺率(slew rate)也應(yīng)當(dāng)是足夠的，但這不總是正確的。變換器的大信號帶寬不能大于小信號帶寬，如果運(yùn)放擺率較低，大信號帶寬可能比較小。

從以上的例子看到為使變換器體積減少，實(shí)質(zhì)上是要變換器具有較寬帶寬和高速放大器。在今天的工業(yè)界，這是繼續(xù)推動開關(guān)電源向更高的開關(guān)頻率（帶寬不超過開關(guān)頻率的一半）的主要原因，某些變換器的工作頻率現(xiàn)在已達(dá)2MHz，帶寬100kHz。

1.3.2 要求低噪聲

各種負(fù)載要求噪聲是不同的。例如蜂窩電話電源中射頻功率放大器要求低噪聲。變換器電源提供放大器柵極和漏極（放大器由FET構(gòu)成）電壓，如果電源上有變換器開關(guān)頻率的紋波，那么放大器輸出也就有紋波，因?yàn)檩敵龉β视蓶艠O和漏極電壓決定，通過改變這些電壓來控制輸出功率大小。而放大器輸出是射頻，紋波是載波頻率的邊帶。由于紋波被接收機(jī)作為信號解調(diào)產(chǎn)生的邊帶，所以很容易看到你不需要的紋波（諧波）。

有些情況就不一定。你的和提出要求的工程師研究研究，是否一定要很高的噪聲要求，并告訴他，噪聲要求越高，代價(jià)越大。

要滿足低噪聲的要求，應(yīng)當(dāng)考慮電感電流在輸出電容ESR上產(chǎn)生的峰峰值紋波和二極管及晶體管轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的開關(guān)噪聲兩者的造成紋波。在要求非常低噪聲時(shí)，想用足夠大的濾波電感和多個(gè)電容并聯(lián)是不切實(shí)際的，一般在變換器輸出加后續(xù)線性調(diào)節(jié)器或外加濾波環(huán)節(jié)。

后續(xù)線性調(diào)節(jié)器決不是好的選擇，因?yàn)樾实?。一般的辦法在主濾波器后面增加一級LC濾波器（圖1.2）。如果反饋從原來輸出電容端取回，主反饋保持原來的穩(wěn)定性，而與外加濾波無關(guān)。但外加的LC濾波是不可控制的，當(dāng)階躍負(fù)載時(shí)將引起振鈴現(xiàn)象，破壞了引入附加濾波器的目的。

如果將反饋包含外加濾波器，這將引入兩個(gè)額外的極點(diǎn)，這兩個(gè)極點(diǎn)要是處于低頻段，將引起變換器工作的不穩(wěn)定。一般取外加濾波器的諧振頻率為變換器帶寬的10倍，僅需要很小的相位補(bǔ)償處理（在以后詳細(xì)討論），同時(shí)仍然能給開關(guān)頻率適當(dāng)?shù)厮p。一般電感取得較小，電容較大，減少變換器的輸出阻抗。串聯(lián)電感在數(shù)百nH到幾個(gè)μH，一般不用鐵氧體磁珠，磁珠不能抗直流磁化，而采用小的MPP（皮莫合金磁粉芯）磁珠或鐵硅鋁磁芯，1匝