開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
你是喜歡花較多時(shí)間坐在電腦前設(shè)計(jì)開關(guān)電源參數(shù)，然后僅僅花少量時(shí)間坐在實(shí)驗(yàn)桌前調(diào)試開關(guān)電源？
還是喜歡反之？
相信更多人喜歡前者，我也是如此。
其實(shí)90%的電源設(shè)計(jì)都可以在電腦前完成，而在實(shí)驗(yàn)桌前需要完成的只是僅占10%的電源設(shè)計(jì)。
開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和所有的電子產(chǎn)品一樣，其工程設(shè)計(jì)可分為兩大類：開關(guān)電源的可行設(shè)計(jì)；開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1. 開關(guān)電源的可行設(shè)計(jì)。根據(jù)開關(guān)電路的基本原理，推導(dǎo)出開關(guān)電源的一些計(jì)算公司，并根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際，反復(fù)修正，最后可以得到滿足給定性能指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)是可行的（即按照這個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出的開關(guān)電源可以投入使用），稱為可行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法（CAD）的引入，可以幫助設(shè)計(jì)師省力省時(shí)地得到可行設(shè)計(jì)結(jié)果。尤其是計(jì)算機(jī)****，可以部分地替代硬件模型實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在****計(jì)算已成為開關(guān)電源現(xiàn)在設(shè)計(jì)不可缺少的手段之一。但是開關(guān)電源可行設(shè)計(jì)畢竟是一種估算與試探結(jié)合的方法，所得結(jié)果不可能是最優(yōu)設(shè)計(jì)，所以還必須進(jìn)行開關(guān)電源的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2. 開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。也稱工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。數(shù)學(xué)規(guī)劃是一種求解函數(shù)極值（即最大值或者最小值，也稱最優(yōu)值）的數(shù)學(xué)方法，按所能求解問題的性質(zhì)（如函數(shù)為線性或非線性，并且求函數(shù)極值時(shí)有線性或非線性約束限制等）可分為線性規(guī)劃或非線性規(guī)劃等。對(duì)于大多數(shù)工程優(yōu)化問題是非線性問題，因此工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法是非線性規(guī)劃，即將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為求解一個(gè)非線性函數(shù)的極值的問題，并且求解時(shí)還受到一些線性或非線性的約束限制。由于設(shè)計(jì)時(shí)所要確定的最優(yōu)參數(shù)不止一個(gè)，因此最優(yōu)設(shè)計(jì)要求求解一個(gè)多變量非線性函數(shù)的極值，并滿足若干個(gè)等式或不等式非線性約束。由此可見，即使只需確定兩個(gè)最優(yōu)參數(shù)，也無(wú)法用手算求解開關(guān)電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。工程設(shè)計(jì)最優(yōu)化問題只能依靠計(jì)算機(jī)求解。因此開關(guān)電源的工程最優(yōu)化方法既是一種數(shù)學(xué)方法，也是一種計(jì)算機(jī)輔助尋優(yōu)方法。應(yīng)用這一方法設(shè)計(jì)開關(guān)電源或其子電路時(shí)，要求設(shè)計(jì)者不僅具有數(shù)學(xué)規(guī)劃的知識(shí)，也應(yīng)掌握計(jì)算機(jī)程序的編制和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)熟悉開關(guān)電源的計(jì)算機(jī)仿真方法和程序等。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的不同，最優(yōu)設(shè)計(jì)可能是重量最小、體積最小、或轉(zhuǎn)換效率最高、損耗最小，總之是某個(gè)性能指標(biāo)或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，它也一定是可行的，所以最優(yōu)設(shè)計(jì)一定是可行設(shè)計(jì)，但可行設(shè)計(jì)不一定是最優(yōu)設(shè)計(jì)。
近幾年來(lái)，工程師已將最優(yōu)設(shè)計(jì)方法先后成功的應(yīng)用于單端或橋式PWM開關(guān)電源的主電路，PWM開關(guān)電源控制電路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，諧振開關(guān)電源的諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等，都取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，但還有待于進(jìn)一步普及和推廣。
3. 開關(guān)電源的主要性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)開關(guān)電源主電路應(yīng)滿足的技術(shù)性能指標(biāo)主要有輸出/輸入電壓比（Vo/Vi），輸出功率Po，變換效率，輸出電壓紋波，對(duì)輸入電壓Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制等。在進(jìn)行開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一般用不等式約束來(lái)表示各項(xiàng)性能指標(biāo)。
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源主電路時(shí)，應(yīng)計(jì)算和選擇的主要內(nèi)容有選擇主電路拓?fù)洌x擇開關(guān)晶體管（功率MOSFET、GTO或IGBT）以及整流二極管的電流、電壓規(guī)格等，確定輸入、輸出濾波器形式以及參數(shù)，選擇計(jì)算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁芯規(guī)格、尺寸和繞組匝數(shù)、導(dǎo)線規(guī)格等，以及電容的選擇等。
開關(guān)電源的控制電路補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)滿足電源的各項(xiàng)瞬態(tài)性能指標(biāo)，因此它屬于瞬態(tài)設(shè)計(jì)。開關(guān)電源的瞬態(tài)性能指標(biāo)有電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、恢復(fù)時(shí)間、瞬態(tài)響應(yīng)的上沖和下沖，電源的抗干擾性等。由于主電路參數(shù)與開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)性能有較大關(guān)系，因此瞬態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)在主電路設(shè)計(jì)完成以后進(jìn)行。
還是喜歡反之？
相信更多人喜歡前者，我也是如此。
其實(shí)90%的電源設(shè)計(jì)都可以在電腦前完成，而在實(shí)驗(yàn)桌前需要完成的只是僅占10%的電源設(shè)計(jì)。
開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和所有的電子產(chǎn)品一樣，其工程設(shè)計(jì)可分為兩大類：開關(guān)電源的可行設(shè)計(jì)；開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1. 開關(guān)電源的可行設(shè)計(jì)。根據(jù)開關(guān)電路的基本原理，推導(dǎo)出開關(guān)電源的一些計(jì)算公司，并根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際，反復(fù)修正，最后可以得到滿足給定性能指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)是可行的（即按照這個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出的開關(guān)電源可以投入使用），稱為可行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法（CAD）的引入，可以幫助設(shè)計(jì)師省力省時(shí)地得到可行設(shè)計(jì)結(jié)果。尤其是計(jì)算機(jī)****，可以部分地替代硬件模型實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在****計(jì)算已成為開關(guān)電源現(xiàn)在設(shè)計(jì)不可缺少的手段之一。但是開關(guān)電源可行設(shè)計(jì)畢竟是一種估算與試探結(jié)合的方法，所得結(jié)果不可能是最優(yōu)設(shè)計(jì)，所以還必須進(jìn)行開關(guān)電源的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2. 開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。也稱工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。數(shù)學(xué)規(guī)劃是一種求解函數(shù)極值（即最大值或者最小值，也稱最優(yōu)值）的數(shù)學(xué)方法，按所能求解問題的性質(zhì)（如函數(shù)為線性或非線性，并且求函數(shù)極值時(shí)有線性或非線性約束限制等）可分為線性規(guī)劃或非線性規(guī)劃等。對(duì)于大多數(shù)工程優(yōu)化問題是非線性問題，因此工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法是非線性規(guī)劃，即將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為求解一個(gè)非線性函數(shù)的極值的問題，并且求解時(shí)還受到一些線性或非線性的約束限制。由于設(shè)計(jì)時(shí)所要確定的最優(yōu)參數(shù)不止一個(gè)，因此最優(yōu)設(shè)計(jì)要求求解一個(gè)多變量非線性函數(shù)的極值，并滿足若干個(gè)等式或不等式非線性約束。由此可見，即使只需確定兩個(gè)最優(yōu)參數(shù)，也無(wú)法用手算求解開關(guān)電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。工程設(shè)計(jì)最優(yōu)化問題只能依靠計(jì)算機(jī)求解。因此開關(guān)電源的工程最優(yōu)化方法既是一種數(shù)學(xué)方法，也是一種計(jì)算機(jī)輔助尋優(yōu)方法。應(yīng)用這一方法設(shè)計(jì)開關(guān)電源或其子電路時(shí)，要求設(shè)計(jì)者不僅具有數(shù)學(xué)規(guī)劃的知識(shí)，也應(yīng)掌握計(jì)算機(jī)程序的編制和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)熟悉開關(guān)電源的計(jì)算機(jī)仿真方法和程序等。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的不同，最優(yōu)設(shè)計(jì)可能是重量最小、體積最小、或轉(zhuǎn)換效率最高、損耗最小，總之是某個(gè)性能指標(biāo)或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，它也一定是可行的，所以最優(yōu)設(shè)計(jì)一定是可行設(shè)計(jì)，但可行設(shè)計(jì)不一定是最優(yōu)設(shè)計(jì)。
近幾年來(lái)，工程師已將最優(yōu)設(shè)計(jì)方法先后成功的應(yīng)用于單端或橋式PWM開關(guān)電源的主電路，PWM開關(guān)電源控制電路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，諧振開關(guān)電源的諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等，都取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，但還有待于進(jìn)一步普及和推廣。
3. 開關(guān)電源的主要性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)開關(guān)電源主電路應(yīng)滿足的技術(shù)性能指標(biāo)主要有輸出/輸入電壓比（Vo/Vi），輸出功率Po，變換效率，輸出電壓紋波，對(duì)輸入電壓Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制等。在進(jìn)行開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一般用不等式約束來(lái)表示各項(xiàng)性能指標(biāo)。
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源主電路時(shí)，應(yīng)計(jì)算和選擇的主要內(nèi)容有選擇主電路拓?fù)洌x擇開關(guān)晶體管（功率MOSFET、GTO或IGBT）以及整流二極管的電流、電壓規(guī)格等，確定輸入、輸出濾波器形式以及參數(shù)，選擇計(jì)算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁芯規(guī)格、尺寸和繞組匝數(shù)、導(dǎo)線規(guī)格等，以及電容的選擇等。
開關(guān)電源的控制電路補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)滿足電源的各項(xiàng)瞬態(tài)性能指標(biāo)，因此它屬于瞬態(tài)設(shè)計(jì)。開關(guān)電源的瞬態(tài)性能指標(biāo)有電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、恢復(fù)時(shí)間、瞬態(tài)響應(yīng)的上沖和下沖，電源的抗干擾性等。由于主電路參數(shù)與開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)性能有較大關(guān)系，因此瞬態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)在主電路設(shè)計(jì)完成以后進(jìn)行。
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