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/ 簡介 /
之前創建了開關電源研學群，為電源同行提供學習交流的平臺，也給大家推薦了更加高效的學習方法。
群內有很多電源大佬，經常給大家解答疑問，在此表示感謝；同時，群內也不乏電源初學者甚至學生，由于缺乏經驗或者方法，往往不知道該如何找到一個“起點”來學習開關電源...
此文，嘗試提供開關電源學習的“起點”，再提供一種從“大”到“小”的開關電源學習方法，期望為電源初學者提供一些學習思路...不敢指指點點，僅是指點...
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/ 從 BUCK 開始學習開關電源？ /
此處，說明兩點建議從 BUCK 開始學習開關電源的理由：
(1) BCUK 電源拓撲相對簡單且應用較為廣泛，基本所有的電子產品內部都多少有 BUCK 電源存在，估計占了非隔離拓撲的半壁江山。
(2) 學會或精通了 BUCK 電源，容易擴展到其他拓撲；參考圖1、2、3，容易由 BUCK 得到 BOOST 和 BUCK-BOOST，電壓、電流、功率損耗等參數的分析方法也是類似的。
圖1 非同步 BUCK 電源拓撲
圖2 非同步 BOOST 電源拓撲
圖3 非同步反相 BUCK-BOOST 電源拓撲
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/ “大”“小”是什么意思？ /
圖4 “大”信號功率傳輸、“小”信號控制環路
圖4，以 BUCK 電源為例，將整個電路分為“大”“小”兩個部分：
“大”是指大信號功率傳輸部分（英文稱為 Power Stage ，即功率級），主要包括高邊開關管、低邊開關管、功率電感、輸入輸出電容。
“小”是指小信號控制環路部分（英文稱為 Control Loop 或 Loop Compensation ），主要包括誤差放大器等。當然，還有一部分是其他輔助功能電路，如軟啟動、過壓保護、過流保護和過熱保護等，我們暫時不關心，實際應用時根據規格書進行配置即可。
圖5 基于功能模塊抽象簡化的“大”“小”兩部分
圖5，將“大”“小”兩部分抽象簡化，去除芯片內部復雜的邏輯電路，從宏觀角度認識 BUCK 電源。
圖6 基于傳遞函數抽象簡化的“大”“小”兩部分
圖6，基于傳遞函數的角度，“大”信號功率傳輸部分就是G(s)，“小”信號控制環路部分就是H(s)；所謂“大道至簡”，由此可見一斑，這大概可以認為是控制理論的縮影...包括 BUCK 電源在內的所有電源都是負反饋控制系統。
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/ 從“大”到“小”學習開關電源 /
4.1 “大”的學習方法
4.1.1 了解功率級設計的“起點”，即“設計需求Design Requirements”：如最基本的輸入電壓、輸出電壓、負載電流、開關頻率、紋波電壓等參數的要求；另外，還有兩個重要的參數是紋波電流系數、目標轉換效率。
圖7 設計需求Design Requirements
圖7，我們細心觀察TI電源規格書中給出的典型應用實例，其“起點”基本都是“設計需求Design Requirements”，我將其稱為學習開關電源的“起點1”，它相當于產品定義，是我們以后學成歸來最后設計完成的開關電源應該有的參數特性。
4.1.2 學習功率級的三個參數，即電壓、電流和功率。為什么要學習這三個參數呢？是為了下一步，使用這三個參數進行關鍵元器件參數選型。
4.1.3 如何學習電壓參數？
按“點”分電壓，BUCK電路有三個電壓節點，即輸入電壓節點、開關電壓節點和輸出電壓節點，這些電壓作為元器件耐壓值選型的依據。
以功率電感 L 為分割，與輸入電壓節點Vin和開關電壓節點Vsw有關的輸入電容、高邊開關管、續流二極管或低邊開關管，它們的最大耐壓值都需要大于等于輸入電壓最大值Vin,max；與輸出電壓節點Vout有關的輸出電容，其耐壓值需要大于等于輸出節點電壓最大值Vout,max（輸出電壓通常只關心典型值即可）。
圖8 《寶典》3.2 降壓電路中的電壓參數
4.1.4 如何學習電流參數？
按“支”分電流，BUCK電路有輸入電流、輸入電容電流、高邊開關管電流、續流二極管或低邊開關管電流、功率電感電流、輸出電容電流和輸出電流這7個電流分支；根據電流參數類型的不同有瞬時電流、直流電流、交流電流、紋波電流、峰值電流、谷值電流、平均電流、均方根電流或RMS電流這8個電流類型。
所以，綜合下來BUCK至少有5*7+2=37個電流參數（通常認為輸入電Iin流和輸出電流Iout僅有直流電流），這些電流作為元器件過流值選型的依據。
圖9 BUCK 電源各元件上的瞬時電流
什么是電流紋波系數 r ？什么時候需要用到電流紋波系數 r ？
參考上述幾篇文章，BUCK 電源的電流參數也有一個“起點”，就是“電流紋波系數 r ”，我將其稱為學習開關電源的“起點2”。
有了 r 以及“設計需求”中的輸入電壓、輸出電壓、負載電流和開關頻率這幾個參數，才能計算得到所需的功率電感值是多少。
有了 r 和負載電流，才能知道電路中的紋波電流大小是多少，才能知道電路在多大負載條件下工作在 CCM 模式、BCM 模式、DCM 模式...
有了 r 和負載電流，才能知道電路中輸入電容、高邊開關管、低邊開關管、功率電感上的峰值電流多大，才能知道輸出電容上的紋波電流多大...
最后，r 與紋波電流成正比，而紋波電流又與功率損耗成正比，更大的 r 也就會導致更大的功率損耗或更低的轉換效率...
圖10 《寶典》3.3 降壓電路中的電流參數
4.1.5 如何學習功率參數？
根據VI、(I^2)R以及積分等知識，學習掌握各元器件上的功率損耗，從而根據 Ploss=Pin×(1-η) 或 Ploss=Pout×((1-η)/η) 評估整個 BUCK 轉換電路的效率。
如，BUCK 功率電感上的直流電阻損耗，就可以直接使用 (I^2)R 計算得到 (I_OUT^2×DCR) ；如，開關管上的導通損耗、截止損耗和開關損耗等，就需要通過積分方法得到...這些，《寶典》書中都會有詳細的公式表達...
這里可以說明的是，學會了各元器件上功率損耗的公式表達后，如果最后設計完成，經過測試，轉換效率偏低，那么就可以根據各元器件的功率損耗占比，以及決定每種功率損耗的具體參數，反向迭代更新參數更小的元器件，從而能夠提升轉換效率。
否則，僅靠語言來描述該如何提升轉換效率，是比較流氓的做法。文學對物理學的描述是蒼白的、粗暴的；只有數學對物理學的描述才是直接的、優雅的。
圖11 《寶典》3.4 降壓電路的功率、損耗和效率
圖12 功率損耗占比
4.1.6 如何進行元器件選型？
在掌握了 BUCK 電源的電壓、電流和功率三個參數的基礎上，再結合“設計需求”中的參數，完成“大”信號功率傳輸級各元件的選型。參考 BUCK電路的輸出電容怎么選型？ ，需要清楚相關公式，才能知道使用多大的感值、容值等...
4.1.7 “大”的學習方法小結
參考 話說天下大勢(BUCK電路參數)，分久必合... ，“始于拓撲，分于‘壓’‘流’，終于功率”，也可以說是“始于‘設計需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”。
什么意思呢？也就是，“大”信號功率傳輸部分的學習或設計方法（正向方法），即基于 BUCK 電源拓撲，從“設計需求”這個“起點1”出發，學會各元器件上的電壓、電流參數，學會元器件選型；學習計算評估元器件選型完成后電源電路的轉換效率。
圖13 “始于‘設計需求’，分于‘壓’‘流’，終于功率”
4.2 “小”的學習方法
4.2.1 先熟悉基本概念
拉普拉斯變換、傳遞函數、零點、極點、波特圖、開環控制系統、閉環控制系統、開環控制系統的開環傳遞函數、閉環控制系統的開環傳遞函數、閉環控制系統的閉環傳遞函數...
熟悉傳遞函數有哪些類型？可以是電壓增益、電流增益、跨阻、跨導、阻抗和導納。
熟悉開關電源的建模方法：基本建模法、狀態空間平均法、開關器件平均法、開關網絡平均法...
4.2.2 學習推導被控對象的傳遞函數G(s)
從傳遞函數的角度看，BUCK 電源包括的子模塊有：脈沖調制器、開關級、LC低通濾波器、誤差放大器等，學習推導它們的傳遞函數；得到整個被控對象或功率傳輸級的傳遞函數，解出其零點和極點，再根據穩定性判據，明確環路補償的頻點...
圖14 《寶典》4.3 BUCK 電路的傳遞函數
4.2.3 學習推導誤差放大器的傳遞函數H(s)
學習傳統誤差放大器Op-Amp和跨導誤差放大器OTA的特性...學習推導I型、II型、III型誤差放大器的傳遞函數及其解...
學習使用H(s)的零點補償G(s)的極點，使用H(s)的極點補償G(s)的零點...
學習環路補償的方法：基于功率傳輸級或被控對象的傳遞函數，解出其零點和極點；根據穩定性判據，明確環路補償的頻點；明確需要的誤差放大器類型；根據需要補償的頻點，反向計算所需的阻容參數...
4.2.4 學習環路穩定性的測試方法...
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/ 總結 /
(1) 找個熟悉的 BUCK 控制器或轉換器芯片規格書，啃個幾十遍甚至上百遍其中的典型應用實例，先學會 BUCK 芯片的應用，否則直接學習原理，不太容易堅持。
圖15 先學會 BUCK 芯片的應用
(2) 在學會 BUCK 芯片應用的基礎上，基于此文提出的“大”信號功率傳輸級的學習方法，深入學習各元件選型的具體原理。
(3) 基于此文提出的“小”信號控制環路的學習方法，深入學習環路補償的具體原理。
(4) 最后，參考學習金字塔，學習過程中有疑問，可以來群里討論（盡量一次把問題描述清楚，也盡量把圖紙發出來；如果私信，不要問是否在，是否可以問個問題，這本身就是個問題）；已經習得了相關原理的，也可以在群里為其他初學者解答，教授他人。
圖16 學習金字塔(學習內容留存率)
如此，我們電源工程師圈子就實現了正向飛輪，這就是我期望的我們[ 開關電源研學群[BUCK] ]實現的正反饋，且期望它的增益越來越大，不要穩定在我創建它的原點...
(5) 你，學廢了嗎...
