开关电源环路设计与计算是确保电源稳定性和效率的关键步骤，尤其在现代高频率、高功率密度的电源设计中显得尤为重要。以下将深入探讨开关电源环路设计与计算中的核心概念，包括开关电源的基本原理、环路分析、环路补偿以及具体的设计实例。
### 开关电源简介
开关电源是一种通过电子开关将输入电源转换为不同电压或电流的电源设备，广泛应用于AC/DC、DC/DC、DC/AC(inverter)转换。其基本拓扑结构分为非隔离型和隔离型，前者如Buck、Boost、Buck-Boost等，后者包括Forward、Flyback、HalfBridge、FullBridge、Push-Pull等。此外，整流方式有全桥型整流、全波型整流和同步整流(SR)。
调制方式主要为PWM(脉冲宽度调制)、PFM(脉冲频率调制)以及其他衍生调制方式，而控制模式则分为电压模式和电流模式。开关电源系统可以分为负反馈回路(feedback loop)和保护功能(OVP、OCP、OTP等)两大部分。
### 开关电源环路分析
环路分析是开关电源设计的核心，它涉及到信号流程图的绘制，确定环路的小信号传输函数。具体来说，需要识别环路的基本组成模块，如EA(误差放大器)、补偿网络、功率级(Power Stage)和PWM级。其中，Power Stage的小信号模型对于理解环路动态特性至关重要，包括连续导通模式(CCM)和断续导通模式(DCM)下的小信号模型。
例如，对于Flyback变换器，在CCM下，Power Stage的传递函数可以表示为：
\[
G_{o}(s) \approx \frac{D(1-D)}{n^2} \cdot \frac{sL_o}{s^2L_mC+R_oz+sR_ozC_o}
\]
这里，\(D\) 是占空比，\(n\) 是变压器匝比，\(L_o\) 和 \(C_o\) 分别是输出电感和电容，\(R_oz\) 是负载电容的等效串联电阻(ESR)。
### 开关电源的环路补偿
环路补偿的目标是确保系统稳定性，通常通过引入零点和极点来调整系统的相位裕量和增益裕量。设计补偿网络时，首先要确定环路的带宽，然后根据应用需求调整外围参数。常见的补偿技术包括比例积分(PI)补偿、比例积分微分(PID)补偿以及有源滤波器补偿。
### 基于OB2263的12W电源环路设计实例
OB2263是一款用于反激变换器的控制器芯片，适用于设计12W以下的开关电源。在设计环路时，首先需要根据OB2263的数据手册确定其内部补偿网络的特性。接着，基于Flyback系统的控制流程图，设计者需要构建一个包含误差放大器、PWM级、功率级和负载的小信号模型。通过调整补偿网络的参数，确保系统在所需带宽范围内具有足够的相位裕量和增益裕量，从而实现稳定的工作状态。
### 总结
开关电源环路设计与计算涉及多个层面的技术细节，包括对电源基本原理的理解、环路分析和补偿策略的选择，以及具体设计实例的实践。通过细致入微的分析和精确的计算，可以优化开关电源的性能，提高其稳定性和效率。这对于满足现代电子设备对电源日益增长的需求至关重要。
