開關電源設計的一般考慮

電池輸出電流和輸出電壓的關系還與溫度以及電池剩余電荷量有關。如果放電電流太大，會損傷電池。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。

制造廠標定電池的容量一般以電池具有的電荷量－安時（電流×時間＝電荷AH）來表示。這使得電源設計者感到為難，你不能夠簡單得到電池輸出參數與多大能量的關系，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。這些參數關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計需要的工作點，需要從這些曲線來回參照得到你需要的數據。你自己測試電池是不切實際的，因為每個制造廠制造的電池總有些小的差別，所以你不能假定每個電池具有相同的化學特性和安時定額，以及它們在同一場合具有相同的運行時間。

另一個現象是自放電。如果你充好電的電池放置在那里，不接任何負載，它自己會逐漸失去存儲的能量。失去能量所需要的時間與化學工作介質有關：如NiH電池24小時；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個月得進行充放電維護一次。

電池不可能無限期充放電使用，電池也有壽命。在一定時間范圍內，電池經過多次充電/放電周期以后，不再能存儲額定容量，這個時間就是電池壽命的終止。它取決于電池如何工作，它經歷了多少個充電/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)（總是保持充滿狀態(tài)），在5～10年內也需要更換。

電池是一個不愉快的能源，它也是一個不舒服的負載。當你對電池補充充電－均衡充電時，你不能用一個電壓源對其充電，因為電池充電電流與電壓成指數關系，會造成充電電流熱失控，將導致電池損壞。因此所有類型電池充電必須采取限流措施。如果電池充滿，即達到額定電壓時，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小時達到電池的額定容量值：例如以1C（20A）對20AH電池充電一小時的電池容量為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恒流充電一定時間，當達到容量的90%后，再轉換到恒壓充電，進入浮充狀態(tài)。浮充電壓通常由生產廠家設置。環(huán)境溫度25℃時，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。充滿電時單體電池端電壓在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（電流和時間積分）進行檢測和控制，才能保證電池的長壽命。

各種不同化學機理的電池－鉛酸電池，鋰電池，鎳鎘電池，鋅－空氣和鎳氫（NiH）電池，無論那種，都具有自身的特性。所以你得花費一定時間去研究它們。最好的辦法是去找愿意和你緊密合作的制造商，并認真地聽取他們忠告。

1.3負載

開關電源供給各種不同的負載，各種負載都有自己的特性，負載對開關電源提出符合自己特性的要求。因此開關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，如果開關電源作為充電器對電池充電。則開關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。舉例來說，假定負載從零變化到7A，花的時間小于1μs。如果你的開關電源的帶寬20kHz，要變化到新的負載水平時間為1/20kHz＝50μs，假設電流上升是線性的，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，你應當需要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3300μF電容達到這個目的，而是應當用許多小電容并聯(lián)。這是因為母線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。如果每個電容的ESR近似為100mΩ，需要11個電容并聯(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。

在以上計算中另一個假定是變換器有足夠的大信號響應。穩(wěn)定性在以后詳細討論，但你必須確定滿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，實質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)推動開關電源向更高的開關頻率（帶寬不超過開關頻率的一半）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關頻率的紋波，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。由于紋波被接收機作為信號解調產生的邊帶，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，代價越大。

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

后續(xù)線性調節(jié)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。但外加的LC濾波是不可控制的，當階躍負載時將引起振鈴現象，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，這將引入兩個額外的極點，這兩個極點要是處于低頻段，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償處理（在以后詳細討論），同時仍然能給開關頻率適當地衰減。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