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/ 简介 /
之前创建了开关电源研学群，为电源同行提供学习交流的平台，也给大家推荐了更加高效的学习方法。
群内有很多电源大佬，经常给大家解答疑问，在此表示感谢；同时，群内也不乏电源初学者甚至学生，由于缺乏经验或者方法，往往不知道该如何找到一个“起点”来学习开关电源...
此文，尝试提供开关电源学习的“起点”，再提供一种从“大”到“小”的开关电源学习方法，期望为电源初学者提供一些学习思路...不敢指指点点，仅是指点...
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/ 从 BUCK 开始学习开关电源？ /
此处，说明两点建议从 BUCK 开始学习开关电源的理由：
(1) BCUK 电源拓扑相对简单且应用较为广泛，基本所有的电子产品内部都多少有 BUCK 电源存在，估计占了非隔离拓扑的半壁江山。
(2) 学会或精通了 BUCK 电源，容易扩展到其他拓扑；参考图1、2、3，容易由 BUCK 得到 BOOST 和 BUCK-BOOST，电压、电流、功率损耗等参数的分析方法也是类似的。
图1 非同步 BUCK 电源拓扑
图2 非同步 BOOST 电源拓扑
图3 非同步反相 BUCK-BOOST 电源拓扑
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/ “大”“小”是什么意思？ /
图4 “大”信号功率传输、“小”信号控制环路
图4，以 BUCK 电源为例，将整个电路分为“大”“小”两个部分：
“大”是指大信号功率传输部分（英文称为 Power Stage ，即功率级），主要包括高边开关管、低边开关管、功率电感、输入输出电容。
“小”是指小信号控制环路部分（英文称为 Control Loop 或 Loop Compensation ），主要包括误差放大器等。当然，还有一部分是其他辅助功能电路，如软启动、过压保护、过流保护和过热保护等，我们暂时不关心，实际应用时根据规格书进行配置即可。
图5 基于功能模块抽象简化的“大”“小”两部分
图5，将“大”“小”两部分抽象简化，去除芯片内部复杂的逻辑电路，从宏观角度认识 BUCK 电源。
图6 基于传递函数抽象简化的“大”“小”两部分
图6，基于传递函数的角度，“大”信号功率传输部分就是G(s)，“小”信号控制环路部分就是H(s)；所谓“大道至简”，由此可见一斑，这大概可以认为是控制理论的缩影...包括 BUCK 电源在内的所有电源都是负反馈控制系统。
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/ 从“大”到“小”学习开关电源 /
4.1 “大”的学习方法
4.1.1 了解功率级设计的“起点”，即“设计需求Design Requirements”：如最基本的输入电压、输出电压、负载电流、开关频率、纹波电压等参数的要求；另外，还有两个重要的参数是纹波电流系数、目标转换效率。
图7 设计需求Design Requirements
图7，我们细心观察TI电源规格书中给出的典型应用实例，其“起点”基本都是“设计需求Design Requirements”，我将其称为学习开关电源的“起点1”，它相当于产品定义，是我们以后学成归来最后设计完成的开关电源应该有的参数特性。
4.1.2 学习功率级的三个参数，即电压、电流和功率。为什么要学习这三个参数呢？是为了下一步，使用这三个参数进行关键元器件参数选型。
4.1.3 如何学习电压参数？
按“点”分电压，BUCK电路有三个电压节点，即输入电压节点、开关电压节点和输出电压节点，这些电压作为元器件耐压值选型的依据。
以功率电感 L 为分割，与输入电压节点Vin和开关电压节点Vsw有关的输入电容、高边开关管、续流二极管或低边开关管，它们的最大耐压值都需要大于等于输入电压最大值Vin,max；与输出电压节点Vout有关的输出电容，其耐压值需要大于等于输出节点电压最大值Vout,max（输出电压通常只关心典型值即可）。
图8 《宝典》3.2 降压电路中的电压参数
4.1.4 如何学习电流参数？
按“支”分电流，BUCK电路有输入电流、输入电容电流、高边开关管电流、续流二极管或低边开关管电流、功率电感电流、输出电容电流和输出电流这7个电流分支；根据电流参数类型的不同有瞬时电流、直流电流、交流电流、纹波电流、峰值电流、谷值电流、平均电流、均方根电流或RMS电流这8个电流类型。
所以，综合下来BUCK至少有5*7+2=37个电流参数（通常认为输入电Iin流和输出电流Iout仅有直流电流），这些电流作为元器件过流值选型的依据。
图9 BUCK 电源各元件上的瞬时电流
什么是电流纹波系数 r ？什么时候需要用到电流纹波系数 r ？
参考上述几篇文章，BUCK 电源的电流参数也有一个“起点”，就是“电流纹波系数 r ”，我将其称为学习开关电源的“起点2”。
有了 r 以及“设计需求”中的输入电压、输出电压、负载电流和开关频率这几个参数，才能计算得到所需的功率电感值是多少。
有了 r 和负载电流，才能知道电路中的纹波电流大小是多少，才能知道电路在多大负载条件下工作在 CCM 模式、BCM 模式、DCM 模式...
有了 r 和负载电流，才能知道电路中输入电容、高边开关管、低边开关管、功率电感上的峰值电流多大，才能知道输出电容上的纹波电流多大...
最后，r 与纹波电流成正比，而纹波电流又与功率损耗成正比，更大的 r 也就会导致更大的功率损耗或更低的转换效率...
图10 《宝典》3.3 降压电路中的电流参数
4.1.5 如何学习功率参数？
根据VI、(I^2)R以及积分等知识，学习掌握各元器件上的功率损耗，从而根据 Ploss=Pin×(1-η) 或 Ploss=Pout×((1-η)/η) 评估整个 BUCK 转换电路的效率。
如，BUCK 功率电感上的直流电阻损耗，就可以直接使用 (I^2)R 计算得到 (I_OUT^2×DCR) ；如，开关管上的导通损耗、截止损耗和开关损耗等，就需要通过积分方法得到...这些，《宝典》书中都会有详细的公式表达...
这里可以说明的是，学会了各元器件上功率损耗的公式表达后，如果最后设计完成，经过测试，转换效率偏低，那么就可以根据各元器件的功率损耗占比，以及决定每种功率损耗的具体参数，反向迭代更新参数更小的元器件，从而能够提升转换效率。
否则，仅靠语言来描述该如何提升转换效率，是比较流氓的做法。文学对物理学的描述是苍白的、粗暴的；只有数学对物理学的描述才是直接的、优雅的。
图11 《宝典》3.4 降压电路的功率、损耗和效率
图12 功率损耗占比
4.1.6 如何进行元器件选型？
在掌握了 BUCK 电源的电压、电流和功率三个参数的基础上，再结合“设计需求”中的参数，完成“大”信号功率传输级各元件的选型。参考 BUCK电路的输出电容怎么选型？ ，需要清楚相关公式，才能知道使用多大的感值、容值等...
4.1.7 “大”的学习方法小结
参考 话说天下大势(BUCK电路参数)，分久必合... ，“始于拓扑，分于‘压’‘流’，终于功率”，也可以说是“始于‘设计需求’，分于‘压’‘流’，终于功率”。
什么意思呢？也就是，“大”信号功率传输部分的学习或设计方法（正向方法），即基于 BUCK 电源拓扑，从“设计需求”这个“起点1”出发，学会各元器件上的电压、电流参数，学会元器件选型；学习计算评估元器件选型完成后电源电路的转换效率。
图13 “始于‘设计需求’，分于‘压’‘流’，终于功率”
4.2 “小”的学习方法
4.2.1 先熟悉基本概念
拉普拉斯变换、传递函数、零点、极点、波特图、开环控制系统、闭环控制系统、开环控制系统的开环传递函数、闭环控制系统的开环传递函数、闭环控制系统的闭环传递函数...
熟悉传递函数有哪些类型？可以是电压增益、电流增益、跨阻、跨导、阻抗和导纳。
熟悉开关电源的建模方法：基本建模法、状态空间平均法、开关器件平均法、开关网络平均法...
4.2.2 学习推导被控对象的传递函数G(s)
从传递函数的角度看，BUCK 电源包括的子模块有：脉冲调制器、开关级、LC低通滤波器、误差放大器等，学习推导它们的传递函数；得到整个被控对象或功率传输级的传递函数，解出其零点和极点，再根据稳定性判据，明确环路补偿的频点...
图14 《宝典》4.3 BUCK 电路的传递函数
4.2.3 学习推导误差放大器的传递函数H(s)
学习传统误差放大器Op-Amp和跨导误差放大器OTA的特性...学习推导I型、II型、III型误差放大器的传递函数及其解...
学习使用H(s)的零点补偿G(s)的极点，使用H(s)的极点补偿G(s)的零点...
学习环路补偿的方法：基于功率传输级或被控对象的传递函数，解出其零点和极点；根据稳定性判据，明确环路补偿的频点；明确需要的误差放大器类型；根据需要补偿的频点，反向计算所需的阻容参数...
4.2.4 学习环路稳定性的测试方法...
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/ 总结 /
(1) 找个熟悉的 BUCK 控制器或转换器芯片规格书，啃个几十遍甚至上百遍其中的典型应用实例，先学会 BUCK 芯片的应用，否则直接学习原理，不太容易坚持。
图15 先学会 BUCK 芯片的应用
(2) 在学会 BUCK 芯片应用的基础上，基于此文提出的“大”信号功率传输级的学习方法，深入学习各元件选型的具体原理。
(3) 基于此文提出的“小”信号控制环路的学习方法，深入学习环路补偿的具体原理。
(4) 最后，参考学习金字塔，学习过程中有疑问，可以来群里讨论（尽量一次把问题描述清楚，也尽量把图纸发出来；如果私信，不要问是否在，是否可以问个问题，这本身就是个问题）；已经习得了相关原理的，也可以在群里为其他初学者解答，教授他人。
图16 学习金字塔(学习内容留存率)
如此，我们电源工程师圈子就实现了正向飞轮，这就是我期望的我们[ 开关电源研学群[BUCK] ]实现的正反馈，且期望它的增益越来越大，不要稳定在我创建它的原点...
(5) 你，学废了吗...
