一种开关电源电压的新改法及常见改法的原理级分析

小鬼头

一种开关电源电压的新改法及常见改法的原理级分析

小鬼头   2023年4月28日

      因为手头的稳压电源（指开关电源以及线性稳压电源）输出电压不合适，又想把他改为合用的电压，甚至是想把他改为电压可在大范围内变化的可调电源，是业余爱好者不时会遇到的情形。也因此，电源区里常有这样的改装帖子出现。对开关电源进行改装这个话题，属于电源区一个比较热门的种类。

      但我见到的改装帖子，很多是照猫画虎，不得其法。下面是一个我曾跟过帖的改装帖子：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1928686&extra=&page=6


     究其原因，是改装者对所用改装方法缺乏原理级层面上的认识。有感于此，加上前些天本人想出了一种普适性最强（但成本也最高）、能实现大范围可调的新改装方法，故编写此帖，除了介绍新改法外，还一并尝试对多种改装方法进行原理级的分析。

     ——我是在设计数字式ESR表的过程中构思出了这种改装方法，见此帖的533楼、588楼：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2065408&extra=page%3D1&page=36

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2065408&extra=page%3D1&page=40

      一、开关电源（以及线性稳压电源）的原理框图及改装方法分析

     （一）原理框图

      无论是线性稳压电源，还是开关电源，从整体上（原理框图角度）看，他跟我们常见的运放基本应用电路是一样的。因为在本质上，他们都是构成一个闭环的负反馈系统，也即是，都可以看作是一个闭环的DC放大器，不同的地方仅在于中间环节。这样一来，我们就可以使用运放的应用知识来加以分析。

     下面的图1和图2，分别给出了线性稳压电源、开关（稳压）电源等效演变成一个运放电路的过程。



     从最终演化出来的运放电路看，这2种电源实质上都是一个将Vref放大了n倍的DC放大器。其中n＝1+R1/R2，所以，其输出电压Vout与Vref之间有如下关系式：

    Vout＝Vref(1+R1/R2)

    （二）常见改装方法及其带来影响的分析

     根据上面的输出电压关系式可以知道，要改变稳压电源的输出电压，可以有2种方法：

     1、改负反馈电阻

     这是最简单的改法，也是最多爱好者采用的改法，但不能改装成大范围可调。从上面看出，这种改法的实质，是改了闭环增益。

     改了闭环增益后，会相应地改变了系统所获得的负反馈量。由负反馈理论可以知道，如果将输入电压改高，闭环放大倍数将增大，负反馈量会相应减小，电源的各方面性能（频响、闭环输出内阻、噪声）等会相应变差，但高频稳定性方面会比较有利。一般往改高输出电压这个方向改，因为受其他因素限制，改的幅度不会大，因而不会出问题（高频稳定性问题或其他意想不到的问题）。

    如果改动的方向是将输出电压改低，电源的频响、输出内阻等方面可以得到改善，但因为对高频稳定性不利，这时就要注意了，不能大幅度地改。否则，会出现工作不够稳定、甚至直接自激等意想不到的问题。

    下面对改低输出电压时相关的高频稳定性问题作一个简单分析。此分析需用到负反馈理论和高频稳定性方面的应用知识，我曾写过一个相关帖子（还没时间续写完），有兴趣的可以去这里看看：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1992761&extra=

     一般而言，为了保证电源能稳定工作（不出现高频稳定性问题），正规厂家通常会根据电源的设计规范，留出大概45度的相位裕量。虽然开关电源（线性稳压电源）整个系统的开环频响可能与运放有较大差异，但闭环控制后的频响和相移特性大致与运放相同，即是在感兴趣的频率范围内（指穿越频率以内/0dB闭环增益频点以内），呈现单极点放大器的特性。

     为了简化分析，并与厂家留有45度的相位裕量对应起来，现在就暂时假定：原开关电源系统只有2个极点（注：理论上只有2个极点的系统，在闭环后是不会自激的，这里是用于方便估算改低输出电压后系统所能剩下的相位裕量，故作这样的假定），主极点的频率很低，第2极点刚好处于穿越频率点（0dB闭环增益频点）的位置，这样，随着频率的升高，主极点产生了90度的相移，到达穿越频率点时，又附加上了第2主极点所带来的45度相移，一共相移135度。离产生自激的相移180度，留有45度的相位裕量。

     在第2极点频率附近，根据极点相移特性的简单理论可知，增益变化20dB，对应的相移幅度变化约为45度。6dB的增益变化，对应有大约13.5度的相移，9dB的增益变化，对应有大约20.25度的相移。

    下面按照改闭环增益的幅度，以原输出电压为24V的开关电源改电压为例，再细分情况进行分析：

     （1）改动幅度在6dB及以下
     原输出电压为24V的开关电源，想改为12V输出。这样改动后的闭环增益为原来的1/2，换算为dB值就是-6dB。
     由上面可知，6dB的增益变化，对应有大约13.5度的相移。因此，将输出电压改低一半后，负反馈深度增加6dB，幅频曲线上的原穿越频点位置将向右下移动6dB，相应有13.5度的相移。因此，整个系统的相位裕量45度减少了13.5度，变为31.5度。
    这样的改动，原相位裕量减少不到1/3，剩下还有30余度，算是尚可接受。

    如果改动幅度更小，比如改为18V输出，那么，相位裕量减少不多，大部分都可以留下，更可以接受。厂家在设计时，有时为了获得准确的输出电压，往往在负反馈电阻网络上调一个微调，用于微小调节输出电压。这个微调的幅度比较小，因此不会带来高频稳定性或其他问题。

     （2）改动幅度在9dB附近
     原输出电压为24V的开关电源，想改为8V输出。这样改动后的闭环增益为原来的1/3，换算为dB值大约是-9.5dB。
     类似地可知，整个系统的相位裕量45度减少了约21度，变为23.5度。
     这样的改动，原相位裕量减少约一半，剩下不到25度，已属于不可接受。   

     （3）改动幅度在20dB及以上。
     原输出电压为24V的开关电源，想改为2.4V输出。这样改动后的闭环增益为原来的1/10，换算为dB值是-20dB。
     类似地可计算，整个系统的相位裕量45度被耗光，变为0度。
     这样的改动，完全不可接受，实际改动也往往以出现自激问题而告失败收场。

     2、改Vref

    如果认识到开关电源（线性稳压电源）实质上是一个将Vref信号进行放大的DC放大器，自然就会想到这种改Vref的方法。

     这种方法是最稳妥可靠的改装办法，通常也是最佳的改法，而且允许对输出电压作大幅度的改变，但改装时稍为麻烦一些。因为他不修改负反馈网络，系统的闭环增益（闭环放大倍数）没有变，其他决定负反馈量/环路增益的所有参数也都没有变，所以，理论上，改装后的高频稳定性会跟原设计完全一样、没有差别。

      实施这种改装方法，需要有一个条件——电路中有Vref接口端子，允许改装者能够把原来的Vref断开，另行给内部的误差放大器正输入端输入新的、电压可变的Vref。TL494就具备这一条件，可以采用这种改装方法。
     

     TL494的电路资料如下图：



     他的14脚是内部Vref的输出脚，通常应用电路中，这个脚接往误差放大器1（error amplifier 1)、误差放大器2的同相输入端1脚和16脚。这2个误差放大器往往会被用作CV模式和CC模式的误差放大器。我们改装时，可以切断这个连接，经过电位器分压后，得到可变的Vref，再送往误差放大器，从而可以改变输出电压（改CV模式的Vref)、可以改变输出的恒流电流（改CV模式的Vref）。

     10多年前，我用Vref改装法改造成功一台中兴开关电源后，曾在电源区指导其他网友，成功把TL494的开关电源改成大范围可调的电源：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=237237


    （三）引入偏移电压——本人想出的新方法

     由于很多开关电源并不外露Vref的接口，比如UC3842芯片、比如采用TL431的开关电源，Vref与误差放大器是在TL431芯片内部连接的，不能断开，因此，就不能采用第2点的改Vref方法。对于这种情况，可以采用本人新想出的新改法，即运用产生偏移电压的技术。

    其原理就是上面提到帖子的533楼：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2065408&extra=&page=36




     把上面分析图里的R2改为无穷大，R3改为R2，把Vin改为Vref，就是我们现在的情形。由图中最后公式可以知道：

1、当补偿电压Vc为0V时，输出电压Vout为原来的大小。

2、当补偿电压Vc为Vref的一半V时，输出电压Vout为原来大小的一半。

3、当补偿电压Vc等于Vref时，输出电压Vout为零。

        因此，改变补偿电压，就可以实现大范围改变输出电压的目的。而跟改Vref方法一样，都是改变系统所获得的输入DC电压，闭环放大倍数没有改变，环路增益参数没有改变，因此，高频稳定性有保证，改装后也能可靠地工作。与改Vref方法不同的是，是通过误差放大器的另一输入端（即负输入端）来改变系统所获得的DC输入电压的——改Vref方法则是在正输入端获得DC输入电压。

      
      二、改装需求与适用的改装方法

     （一）将输出电压改高

     开关电源因为设计时，通常设计为允许工作于90~260Vac的市电输入范围。因此，可以利用这一个余量，进行输出电压的改高。但改动幅度也不会大，也就是大概能改为原来输出电压的约2倍。

    由前面分析可知，这样的改动，理论上不会出现高频稳定性问题。


     （二）将输出电压改低

     1、将输出电压小幅改低

    可以采用改负反馈电阻的方法。这种方法简单易行，但须注意改动幅度不能大，不宜超过6dB。
     
     2、将输出电压大幅改低
    如果改动幅度超过6dB，唯有选择如下2种方法之一来进行改装才比较合适：

   （1）  方法一：改Vref

    上面已作分析，所附帖子也有具体改动方法介绍，不再重复.

     （2）方法二：引入偏移电压的新改法。

      具体做法主要是增加一个运放和1个电压幅度与原Vref相同或略高的参考电压源。

     现在就最常见的是使用TL431+光耦的开关电源情况，画图画出其改装方法，并在图中写明了改装要点：

935482411

同时提醒楼主在主题帖子里注明：改装风险自负，将那些新手，粗手，经验不足的门外汉适当安全警告！

小鬼头

刚发现新改法计算时的一个错误，也就是，计算偏移电压补偿时，误当作把正输入端的Vref全部抵消了，但实际上还留有了1个Vref的输出电压。

因此:

一、相关文字应改为：

“由图中最后公式可以知道：

1、当补偿电压Vc为0V时，输出电压Vout为原来的大小。

2、当补偿电压Vc为Vref的一半V时，输出电压Vout为原来大小的一半，再加上1个Vref。

3、当补偿电压Vc等于Vref时，输出电压Vout大部分被抵消，仅剩Vref。”


二、最后的改装TL431开关电源的电路图（图3b)里，应该让U3的TL431产生略高于2.5V的参考电压。具体做法是，增加2只电阻让他接成并联稳压电源形式。这个算是比较简单，故不作详细介绍

     现在图里的电路，因为VR1最高输出仅为Vref，因此，改装后的电源输出电压仍输出Vref、达不到0V。只有让U3产生的参考电压源高于2.5V，才能做到令输出电压为0V。

美人鱼999

前排就坐，认真听讲，做好笔记。

935482411

实力派大师，膜拜中^_^

爱你矿坛

谢谢！楼主在这方面很有研究！

935482411

本着安全第一的原则，不建议大幅度改可调。电子垃圾遍地都是的今天，固定输出电源，工作最可靠。^_^

wehappy982

从源头上解决问题,高.

guodegang

老师说得对，无论改线性电源还是开关电源，最难解决的的无非就是如何保证改装过后的环路稳定性问题

shaoxg

大师开讲，希望能听懂。基础不牢，地动山摇。

locky_z

这种方式以前仿真过，电位器旋转范围和输出电压范围的比例很不线性，
例如电位器在0-90%范围，输出电压变动很小，但后面10%变化就很大了。

如果对应到数控上，基准（例如256级DAC提供），其中0-224对输出影响很小，224-255之间才对输出电压调节敏感。

locky_z

例如要将Ua723实现0V输出，又不想增加辅助电源，也可以用LZ这种方法，

例如下面网页的第8个电路
Ua723的运放输入并不单电源输入，并且Vref也较高，于是将Vref叠加到反馈输入端。

https://www.diangongwu.com/zhishi/dianlutu/127522.html

小鬼头

locky_z 发表于 2023-4-29 09:35
这种方式以前仿真过，电位器旋转范围和输出电压范围的比例很不线性，
例如电位器在0-90%范围，输出电压变 ...

如果用我设计数字esr表帖子里画函数图像的方法，能方便看出这里的线性度。现在没电脑用，那就手算。

根据我刚才的手算结果，没发现存在你说的调节线性度不良的情况。

以tl431的5v开关电源为例，他的Vref=2.5v，n=2，R1=R2。为了获得0～5V的可调输出电压，那么，合适的U3补偿参考电压源Vcmax应取为Vcmax=Vref*（1+R2/R1）=5V。

由前面的推导公式

Vout=Vref*（1+R1/R2）-Vc*（R1/R2）

可得到：

Vout=5v-Vc

1、当电位器VR1调至最大位值，即100%位置时，Vc=Vcmax=5v，于是有Vout=0v，即0%的原5v输出

2、当电位器VR1调至75%位置时，Vc=75%*Vcmax=3.75v，于是有Vout=1.25v，即25%的原5v输出。

3、当电位器VR1调至50%位置时，Vc=50%*Vcmax=2.5v，于是有Vout=2.5v，即50%的原5v输出。

4、当电位器VR1调至30%位置时，Vc=30%*Vcmax=1.5v，于是有Vout=3.5v，即70%的原5v输出。

5、当电位器VR1调至0%位置时，Vc=0%*Vcmax=0v，于是有Vout=5v，即100%的原5v输出。

由上面可见，理论上的调节线性度非常好（只是调节的方向是反的）。


——————————————————————

利用前面的Vout公式，从纯理论角度，也能推导出他的调节是线性的：

假定VR1的调节比例是k，当我们给补偿参考电压源取合适值，即Vcmax=Vref*（1+R2/R1）时，Vout公式变为

Vout=Vref*（1+R1/R2）-k*Vcmax*（R1/R2）
       =Vref*（1+R1/R2）-k*Vref*（1+R1/R2）
       =（1-k）*Vref*（1+R1/R2）

此式子表明，输出电压Vout为原来额定输出电压的（1-k）倍，其中k为调节的百分比，由0%至100%。可见，其调节是线性的。

935482411

小鬼头 发表于 2023-4-29 11:14
如果用我设计数字esr表帖子里画函数图像的方法，能方便看出这里的线性度。现在没电脑用，那就手算。

...

有些坛友，手上的元器件质量不良，改起来就会出现各种各样的问题的。^_^

935482411

所以，我个人认为，电源，能不改，尽量不改它。要改就需周密安排，尽量避免“万密一疏”的情况出现。