開(kāi)關(guān)電源設計的一般考慮

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(huì )損傷電池。幾乎所有電池，如果在遠低于它的工作溫度下放電，也會(huì )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(dòng)不了你的汽車(chē)。

制造廠(chǎng)標定電池的容量一般以電池具有的電荷量－安時(shí)（電流×時(shí)間＝電荷AH）來(lái)表示。這使得電源設計者感到為難，你不能夠簡(jiǎn)單得到電池輸出參數與多大能量的關(guān)系，因為它不等于電池容量乘以輸出電壓；何況輸出電壓又與輸出電流有關(guān)。這些參數關(guān)系由制造廠(chǎng)以曲線(xiàn)形式提供的，而曲線(xiàn)似乎不能直接找到你設計需要的工作點(diǎn)，需要從這些曲線(xiàn)來(lái)回參照得到你需要的數據。你自己測試電池是不切實(shí)際的，因為每個(gè)制造廠(chǎng)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(chǎng)合具有相同的運行時(shí)間。

另一個(gè)現象是自放電。如果你充好電的電池放置在那里，不接任何負載，它自己會(huì )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)行充放電維護一次。

電池不可能無(wú)限期充放電使用，電池也有壽命。在一定時(shí)間范圍內，電池經(jīng)過(guò)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(mǎn)狀態(tài)），在5～10年內也需要更換。

電池是一個(gè)不愉快的能源，它也是一個(gè)不舒服的負載。當你對電池補充充電－均衡充電時(shí)，你不能用一個(gè)電壓源對其充電，因為電池充電電流與電壓成指數關(guān)系，會(huì )造成充電電流熱失控，將導致電池損壞。因此所有類(lèi)型電池充電必須采取限流措施。如果電池充滿(mǎn)，即達到額定電壓時(shí)，應當轉換到浮充電狀態(tài)，補充自放電失去的能量，以保證電池保持滿(mǎn)容量狀態(tài)。

手冊中指定充電電流（放電電流也一樣）稱(chēng)為“C”。1C定額是假定電池充電1小時(shí)達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，當達到容量的90%后，再轉換到恒壓充電，進(jìn)入浮充狀態(tài)。浮充電壓通常由生產(chǎn)廠(chǎng)家設置。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）之間設置浮充電壓。環(huán)境溫度每升高1℃,浮充電壓下降0.005V。充滿(mǎn)電時(shí)單體電池端電壓在2.23V左右。過(guò)充電和充電電流過(guò)大都會(huì )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(guò)放電，一般認為單體電池端電壓達到1.75V應當終止放電。所以，要正確使用電池應當對電池的充、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(cháng)壽命。

各種不同化學(xué)機理的電池－鉛酸電池，鋰電池，鎳鎘電池，鋅－空氣和鎳氫（NiH）電池，無(wú)論那種，都具有自身的特性。所以你得花費一定時(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，并認真地聽(tīng)取他們忠告。

1.3負載

開(kāi)關(guān)電源供給各種不同的負載，各種負載都有自己的特性，負載對開(kāi)關(guān)電源提出符合自己特性的要求。因此開(kāi)關(guān)電源設計者必須了解負載特性，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(kāi)關(guān)電源作為充電器對電池充電。則開(kāi)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(jiǎn)要說(shuō)明其它負載要求

1.3.1 計算機電源

現代計算機要求電源高速切換?，F在許多計算機電源為3.3V，從數據庫調出數據，要求電源能適應30A/μs負載躍變。舉例來(lái)說(shuō)，假定負載從零變化到7A，花的時(shí)間小于1μs。如果你的開(kāi)關(guān)電源的帶寬20kHz，要變化到新的負載水平時(shí)間為1/20kHz＝50μs，假設電流上升是線(xiàn)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(dòng)是66mV，如果此瞬態(tài)能量由電容提供，你應當需要175μC/66mV=3mF才能避免電壓跌落超過(guò)允許值。

值得注意的是你不能用一個(gè)3300μF電容達到這個(gè)目的，而是應當用許多小電容并聯(lián)。這是因為母線(xiàn)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。當然這種計算是假定變換器輸出到負載連線(xiàn)是無(wú)電感和電阻的，如果引線(xiàn)長(cháng)，你就需要更高性能的電源。

在以上計算中另一個(gè)假定是變換器有足夠的大信號響應。穩定性在以后詳細討論，但你必須確定滿(mǎn)足小信號響應誤差放大器的擺率(slew rate)也應當是足夠的，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，這是繼續推動(dòng)開(kāi)關(guān)電源向更高的開(kāi)關(guān)頻率（帶寬不超過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的一半）的主要原因，某些變換器的工作頻率現在已達2MHz，帶寬100kHz。

1.3.2 要求低噪聲

各種負載要求噪聲是不同的。例如蜂窩電話(huà)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構成）電壓，如果電源上有變換器開(kāi)關(guān)頻率的紋波，那么放大器輸出也就有紋波，因為輸出功率由柵極和漏極電壓決定，通過(guò)改變這些電壓來(lái)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。由于紋波被接收機作為信號解調產(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(mǎn)足低噪聲的要求，應當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換產(chǎn)生的開(kāi)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線(xiàn)性調節器或外加濾波環(huán)節。

后續線(xiàn)性調節器決不是好的選擇，因為效率低。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(lái)輸出電容端取回，主反饋保持原來(lái)的穩定性，而與外加濾波無(wú)關(guān)。但外加的LC濾波是不可控制的，當階躍負載時(shí)將引起振鈴現象，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償處理（在以后詳細討論），同時(shí)仍然能給開(kāi)關(guān)頻率適當地衰減。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