开关电源设计的一般考虑

电池输出电流和输出电压的关系还与温度以及电池剩余电荷量有关。如果放电电流太大，会损伤电池。几乎所有电池，如果在远低于它的工作温度下放电，也会损坏电池。例如密封铅酸电池在低于－10℃不能工作,这就是为什么在很冷的天气发动不了你的汽车。

制造厂标定电池的容量一般以电池具有的电荷量－安时（电流×时间＝电荷AH）来表示。这使得电源设计者感到为难，你不能够简单得到电池输出参数与多大能量的关系，因为它不等于电池容量乘以输出电压；何况输出电压又与输出电流有关。这些参数关系由制造厂以曲线形式提供的，而曲线似乎不能直接找到你设计需要的工作点，需要从这些曲线来回参照得到你需要的数据。你自己测试电池是不切实际的，因为每个制造厂制造的电池总有些小的差别，所以你不能假定每个电池具有相同的化学特性和安时定额，以及它们在同一场合具有相同的运行时间。

另一个现象是自放电。如果你充好电的电池放置在那里，不接任何负载，它自己会逐渐失去存储的能量。失去能量所需要的时间与化学工作介质有关：如NiH电池24小时；密封铅酸蓄电池在温度25℃下约16月容量损失50%，温度升高10℃,时间缩短一半。而某些锂电池可达几年不等。所以放置不用的铅酸电池一般每3个月得进行充放电维护一次。

电池不可能无限期充放电使用，电池也有寿命。在一定时间范围内，电池经过多次充电/放电周期以后，不再能存储额定容量，这个时间就是电池寿命的终止。它取决于电池如何工作，它经历了多少个充电/放电周期，放电的深度如何等等。例如，铅酸密封电池放电深度50%额定容量，充放电可达500～600次；放电深度100%，寿命仅200～300充放电周期。即使电池用于备份，所谓浮充状态（总是保持充满状态），在5～10年内也需要更换。

电池是一个不愉快的能源，它也是一个不舒服的负载。当你对电池补充充电－均衡充电时，你不能用一个电压源对其充电，因为电池充电电流与电压成指数关系，会造成充电电流热失控，将导致电池损坏。因此所有类型电池充电必须采取限流措施。如果电池充满，即达到额定电压时，应当转换到浮充电状态，补充自放电失去的能量，以保证电池保持满容量状态。

手册中指定充电电流（放电电流也一样）称为“C”。1C定额是假定电池充电1小时达到电池的额定容量值：例如以1C（20A）对20AH电池充电一小时的电池容量为1×20A=20AH。铅酸电池通常均衡充电电流小于0.3C。均衡充电一般首先以0.15C恒流充电一定时间，当达到容量的90%后，再转换到恒压充电，进入浮充状态。浮充电压通常由生产厂家设置。环境温度25℃时，一般按单体电池电压2.23V～2.35V（大部分用2.23V～2.25V）之间设置浮充电压。环境温度每升高1℃,浮充电压下降0.005V。充满电时单体电池端电压在2.23V左右。过充电和充电电流过大都会损伤电池，使电池寿命大大缩短。电池充足后，维持自放电浮充电流，一般在0.05C以下。铅酸电池还不能过放电，一般认为单体电池端电压达到1.75V应当终止放电。所以，要正确使用电池应当对电池的充、放电电压、电流和容量（电流和时间积分）进行检测和控制，才能保证电池的长寿命。

各种不同化学机理的电池－铅酸电池，锂电池，镍镉电池，锌－空气和镍氢（NiH）电池，无论那种，都具有自身的特性。所以你得花费一定时间去研究它们。最好的办法是去找愿意和你紧密合作的制造商，并认真地听取他们忠告。

1.3负载

开关电源供给各种不同的负载，各种负载都有自己的特性，负载对开关电源提出符合自己特性的要求。因此开关电源设计者必须了解负载特性，才能做好符合要求的电源。前面讨论了蓄电池一般特性，如果开关电源作为充电器对电池充电。则开关电源必须具有恒流充电和浮充能力。这里不再讨论。下面分别简要说明其它负载要求

1.3.1 计算机电源

现代计算机要求电源高速切换。现在许多计算机电源为3.3V，从数据库调出数据，要求电源能适应30A/μs负载跃变。举例来说，假定负载从零变化到7A，花的时间小于1μs。如果你的开关电源的带宽20kHz，要变化到新的负载水平时间为1/20kHz＝50μs，假设电流上升是线性的，那么你尚缺少的电荷量是(7A/2)50μs=175μC，如果允许3.3V电压波动是66mV，如果此瞬态能量由电容提供，你应当需要175μC/66mV=3mF才能避免电压跌落超过允许值。

值得注意的是你不能用一个3300μF电容达到这个目的，而是应当用许多小电容并联。这是因为母线上电压跌落并不是变换器的带宽限制，而是电容的ESR造成的。你需要最大ESR为66mV/7A＝9mΩ的电容。如果每个电容的ESR近似为100mΩ，需要11个电容并联，最好选择300μF的钽电容。当然这种计算是假定变换器输出到负载连线是无电感和电阻的，如果引线长，你就需要更高性能的电源。

在以上计算中另一个假定是变换器有足够的大信号响应。稳定性在以后详细讨论，但你必须确定满足小信号响应误差放大器的摆率(slew rate)也应当是足够的，但这不总是正确的。变换器的大信号带宽不能大于小信号带宽，如果运放摆率较低，大信号带宽可能比较小。

从以上的例子看到为使变换器体积减少，实质上是要变换器具有较宽带宽和高速放大器。在今天的工业界，这是继续推动开关电源向更高的开关频率（带宽不超过开关频率的一半）的主要原因，某些变换器的工作频率现在已达2MHz，带宽100kHz。

1.3.2 要求低噪声

各种负载要求噪声是不同的。例如蜂窝电话电源中射频功率放大器要求低噪声。变换器电源提供放大器栅极和漏极（放大器由FET构成）电压，如果电源上有变换器开关频率的纹波，那么放大器输出也就有纹波，因为输出功率由栅极和漏极电压决定，通过改变这些电压来控制输出功率大小。而放大器输出是射频，纹波是载波频率的边带。由于纹波被接收机作为信号解调产生的边带，所以很容易看到你不需要的纹波（谐波）。

有些情况就不一定。你的和提出要求的工程师研究研究，是否一定要很高的噪声要求，并告诉他，噪声要求越高，代价越大。

要满足低噪声的要求，应当考虑电感电流在输出电容ESR上产生的峰峰值纹波和二极管及晶体管转换产生的开关噪声两者的造成纹波。在要求非常低噪声时，想用足够大的滤波电感和多个电容并联是不切实际的，一般在变换器输出加后续线性调节器或外加滤波环节。

后续线性调节器决不是好的选择，因为效率低。一般的办法在主滤波器后面增加一级LC滤波器（图1.2）。如果反馈从原来输出电容端取回，主反馈保持原来的稳定性，而与外加滤波无关。但外加的LC滤波是不可控制的，当阶跃负载时将引起振铃现象，破坏了引入附加滤波器的目的。

如果将反馈包含外加滤波器，这将引入两个额外的极点，这两个极点要是处于低频段，将引起变换器工作的不稳定。一般取外加滤波器的谐振频率为变换器带宽的10倍，仅需要很小的相位补偿处理（在以后详细讨论），同时仍然能给开关频率适当地衰减。一般电感取得较小，电容较大，减少变换器的输出阻抗。串联电感在数百nH到几个μH，一般不用铁氧体磁珠，磁珠不能抗直流磁化，而采用小的MPP（皮莫合金磁粉芯）磁珠或铁硅铝磁芯，1匝