開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計方法
你是喜歡花較多時(shí)間坐在電腦前設計開(kāi)關(guān)電源參數，然后僅僅花少量時(shí)間坐在實(shí)驗桌前調試開(kāi)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%的電源設計都可以在電腦前完成，而在實(shí)驗桌前需要完成的只是僅占10%的電源設計。
開(kāi)關(guān)電源的設計和所有的電子產(chǎn)品一樣，其工程設計可分為兩大類(lèi)：開(kāi)關(guān)電源的可行設計；開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計。
1. 開(kāi)關(guān)電源的可行設計。根據開(kāi)關(guān)電路的基本原理，推導出開(kāi)關(guān)電源的一些計算公司，并根據以往設計經(jīng)驗所的經(jīng)驗數據，可以對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行初步設計，結合實(shí)際，反復修正，最后可以得到滿(mǎn)足給定性能指標要求的設計，這個(gè)設計是可行的（即按照這個(gè)設計生產(chǎn)出的開(kāi)關(guān)電源可以投入使用），稱(chēng)為可行設計。計算機輔助設計方法（CAD）的引入，可以幫助設計師省力省時(shí)地得到可行設計結果。尤其是計算機****，可以部分地替代硬件模型實(shí)驗�，F在****計算已成為開(kāi)關(guān)電源現在設計不可缺少的手段之一。但是開(kāi)關(guān)電源可行設計畢竟是一種估算與試探結合的方法，所得結果不可能是最優(yōu)設計，所以還必須進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的工程優(yōu)化設計。
2. 開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計。也稱(chēng)工程優(yōu)化設計，這是數學(xué)規劃方法在工程設計中的應用。數學(xué)規劃是一種求解函數極值（即最大值或者最小值，也稱(chēng)最優(yōu)值）的數學(xué)方法，按所能求解問(wèn)題的性質(zhì)（如函數為線(xiàn)性或非線(xiàn)性，并且求函數極值時(shí)有線(xiàn)性或非線(xiàn)性約束限制等）可分為線(xiàn)性規劃或非線(xiàn)性規劃等。對于大多數工程優(yōu)化問(wèn)題是非線(xiàn)性問(wèn)題，因此工程優(yōu)化設計的基本方法是非線(xiàn)性規劃，即將設計問(wèn)題轉化為求解一個(gè)非線(xiàn)性函數的極值的問(wèn)題，并且求解時(shí)還受到一些線(xiàn)性或非線(xiàn)性的約束限制。由于設計時(shí)所要確定的最優(yōu)參數不止一個(gè)，因此最優(yōu)設計要求求解一個(gè)多變量非線(xiàn)性函數的極值，并滿(mǎn)足若干個(gè)等式或不等式非線(xiàn)性約束。由此可見(jiàn)，即使只需確定兩個(gè)最優(yōu)參數，也無(wú)法用手算求解開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)設計問(wèn)題。工程設計最優(yōu)化問(wèn)題只能依靠計算機求解。因此開(kāi)關(guān)電源的工程最優(yōu)化方法既是一種數學(xué)方法，也是一種計算機輔助尋優(yōu)方法。應用這一方法設計開(kāi)關(guān)電源或其子電路時(shí)，要求設計者不僅具有數學(xué)規劃的知識，也應掌握計算機程序的編制和計算機的應用，還應當熟悉開(kāi)關(guān)電源的計算機仿真方法和程序等。根據設計對象的不同，最優(yōu)設計可能是重量最小、體積最小、或轉換效率最高、損耗最小，總之是某個(gè)性能指標或經(jīng)濟指標最好的設計。當然，它也一定是可行的，所以最優(yōu)設計一定是可行設計，但可行設計不一定是最優(yōu)設計。
近幾年來(lái)，工程師已將最優(yōu)設計方法先后成功的應用于單端或橋式PWM開(kāi)關(guān)電源的主電路，PWM開(kāi)關(guān)電源控制電路的補償網(wǎng)絡(luò )，諧振開(kāi)關(guān)電源的諧振網(wǎng)絡(luò )設計等，都取得了一定的經(jīng)驗，但還有待于進(jìn)一步普及和推廣。
3. 開(kāi)關(guān)電源的主要性能指標。設計開(kāi)關(guān)電源主電路應滿(mǎn)足的技術(shù)性能指標主要有輸出/輸入電壓比（Vo/Vi），輸出功率Po，變換效率，輸出電壓紋波，對輸入電壓Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制等。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設計時(shí)，一般用不等式約束來(lái)表示各項性能指標。
在設計開(kāi)關(guān)電源主電路時(shí)，應計算和選擇的主要內容有選擇主電路拓撲，選擇開(kāi)關(guān)晶體管（功率MOSFET、GTO或IGBT）以及整流二極管的電流、電壓規格等，確定輸入、輸出濾波器形式以及參數，選擇計算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁芯規格、尺寸和繞組匝數、導線(xiàn)規格等，以及電容的選擇等。
開(kāi)關(guān)電源的控制電路補償設計應滿(mǎn)足電源的各項瞬態(tài)性能指標，因此它屬于瞬態(tài)設計。開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)性能指標有電源系統的穩定性、恢復時(shí)間、瞬態(tài)響應的上沖和下沖，電源的抗干擾性等。由于主電路參數與開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)響應性能有較大關(guān)系，因此瞬態(tài)設計應在主電路設計完成以后進(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%的電源設計都可以在電腦前完成，而在實(shí)驗桌前需要完成的只是僅占10%的電源設計。
開(kāi)關(guān)電源的設計和所有的電子產(chǎn)品一樣，其工程設計可分為兩大類(lèi)：開(kāi)關(guān)電源的可行設計；開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計。
1. 開(kāi)關(guān)電源的可行設計。根據開(kāi)關(guān)電路的基本原理，推導出開(kāi)關(guān)電源的一些計算公司，并根據以往設計經(jīng)驗所的經(jīng)驗數據，可以對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行初步設計，結合實(shí)際，反復修正，最后可以得到滿(mǎn)足給定性能指標要求的設計，這個(gè)設計是可行的（即按照這個(gè)設計生產(chǎn)出的開(kāi)關(guān)電源可以投入使用），稱(chēng)為可行設計。計算機輔助設計方法（CAD）的引入，可以幫助設計師省力省時(shí)地得到可行設計結果。尤其是計算機****，可以部分地替代硬件模型實(shí)驗�，F在****計算已成為開(kāi)關(guān)電源現在設計不可缺少的手段之一。但是開(kāi)關(guān)電源可行設計畢竟是一種估算與試探結合的方法，所得結果不可能是最優(yōu)設計，所以還必須進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的工程優(yōu)化設計。
2. 開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計。也稱(chēng)工程優(yōu)化設計，這是數學(xué)規劃方法在工程設計中的應用。數學(xué)規劃是一種求解函數極值（即最大值或者最小值，也稱(chēng)最優(yōu)值）的數學(xué)方法，按所能求解問(wèn)題的性質(zhì)（如函數為線(xiàn)性或非線(xiàn)性，并且求函數極值時(shí)有線(xiàn)性或非線(xiàn)性約束限制等）可分為線(xiàn)性規劃或非線(xiàn)性規劃等。對于大多數工程優(yōu)化問(wèn)題是非線(xiàn)性問(wèn)題，因此工程優(yōu)化設計的基本方法是非線(xiàn)性規劃，即將設計問(wèn)題轉化為求解一個(gè)非線(xiàn)性函數的極值的問(wèn)題，并且求解時(shí)還受到一些線(xiàn)性或非線(xiàn)性的約束限制。由于設計時(shí)所要確定的最優(yōu)參數不止一個(gè)，因此最優(yōu)設計要求求解一個(gè)多變量非線(xiàn)性函數的極值，并滿(mǎn)足若干個(gè)等式或不等式非線(xiàn)性約束。由此可見(jiàn)，即使只需確定兩個(gè)最優(yōu)參數，也無(wú)法用手算求解開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)設計問(wèn)題。工程設計最優(yōu)化問(wèn)題只能依靠計算機求解。因此開(kāi)關(guān)電源的工程最優(yōu)化方法既是一種數學(xué)方法，也是一種計算機輔助尋優(yōu)方法。應用這一方法設計開(kāi)關(guān)電源或其子電路時(shí)，要求設計者不僅具有數學(xué)規劃的知識，也應掌握計算機程序的編制和計算機的應用，還應當熟悉開(kāi)關(guān)電源的計算機仿真方法和程序等。根據設計對象的不同，最優(yōu)設計可能是重量最小、體積最小、或轉換效率最高、損耗最小，總之是某個(gè)性能指標或經(jīng)濟指標最好的設計。當然，它也一定是可行的，所以最優(yōu)設計一定是可行設計，但可行設計不一定是最優(yōu)設計。
近幾年來(lái)，工程師已將最優(yōu)設計方法先后成功的應用于單端或橋式PWM開(kāi)關(guān)電源的主電路，PWM開(kāi)關(guān)電源控制電路的補償網(wǎng)絡(luò )，諧振開(kāi)關(guān)電源的諧振網(wǎng)絡(luò )設計等，都取得了一定的經(jīng)驗，但還有待于進(jìn)一步普及和推廣。
3. 開(kāi)關(guān)電源的主要性能指標。設計開(kāi)關(guān)電源主電路應滿(mǎn)足的技術(shù)性能指標主要有輸出/輸入電壓比（Vo/Vi），輸出功率Po，變換效率，輸出電壓紋波，對輸入電壓Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制等。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設計時(shí)，一般用不等式約束來(lái)表示各項性能指標。
在設計開(kāi)關(guān)電源主電路時(shí)，應計算和選擇的主要內容有選擇主電路拓撲，選擇開(kāi)關(guān)晶體管（功率MOSFET、GTO或IGBT）以及整流二極管的電流、電壓規格等，確定輸入、輸出濾波器形式以及參數，選擇計算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁芯規格、尺寸和繞組匝數、導線(xiàn)規格等，以及電容的選擇等。
開(kāi)關(guān)電源的控制電路補償設計應滿(mǎn)足電源的各項瞬態(tài)性能指標，因此它屬于瞬態(tài)設計。開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)性能指標有電源系統的穩定性、恢復時(shí)間、瞬態(tài)響應的上沖和下沖，電源的抗干擾性等。由于主電路參數與開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)響應性能有較大關(guān)系，因此瞬態(tài)設計應在主電路設計完成以后進(jìn)行。
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