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基于MathCAD和Pspice的24W反激环路设计,大神 经验人士请进!!

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vurtne
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  • 2015-3-19 10:50:10
关于环路补偿论坛有很多大神都发表过很多文章,受益匪浅,只因都没有针对一个具体的实例,计算的结论和实际有多大距离,作为新手的我们很是困惑。
因此,我列出一个具体的实例,提供除去补偿环路剩下的参数和自己的计算方法,希望大神们指正。也希望大神和经验人士能针对此例给出自己的设计,或根据经验怎么去选择和怎么去调试。我会根据大神们提供的参数去焊接调试把结果上传供大家一起去分析。附件是参数和我的计算方法,为了清晰可见我在单独列下参数:
芯片使用LD5530,下面是规格书:
LD5530R-DS-00.pdf


交流输入120V,母线电压150正好进入连续模式,最低DC输入就按150V来计算,Vbulk=150V
输出电压:48V 输出电流:0.5A 工作频率:65k 初级检测电阻:0.6欧
变压器磁心EFD25 初级:60T 次级:38T 初级电感量:750uH 漏感:6uH
输出电容:440uF ESR:0.04欧(25度) 0.12欧(-10度)
输出电流从10%到满载(0.5A)跳变时,输出电压跌落和过冲小于480mV
下面是反馈环路部分的电路图和我的计算,大神们按此反馈类型设计:







FeedbackLoopDesign.pdf
世纪电源网-小王
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管理员
  • 2015-3-19 10:56:12
 
楼主 我把你的标题小动了一下 “大神 经验” 不然就是“大神经。。。。”估计不好帮你回复
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2015-3-19 10:57:24
 
https://bbs.21dianyuan.com/208597.html
正在举行的MathCAD活动,里面有两个高手发了关于MathCAD相关内容的帖子,你看看,可以跟帖询问下他们~~
https://bbs.21dianyuan.com/208868.html
https://bbs.21dianyuan.com/208969.html
gaohq
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  • 2015-3-19 11:09:40
 

vurtne
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  • 2015-3-19 11:17:45
 
我上传的转成了PDF文档了 ,我怕有些没有装这个软件
hwx-555
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  • 2015-3-19 14:01:07
 
原文档是否可以传上来?
蓝图
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LV8
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  • 2015-3-25 20:13:41
 
你这个是 宣传视频里的文档吗? 求分享
vurtne
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  • 2015-3-19 11:20:26
 
我发帖的目的是为了抛砖引玉,希望大神们来说说自己实际中是怎么设计这块的,另也希望有精通环路设计和Pspice仿真的,我有一些细节要请教。
admin
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管理员
  • 2015-3-19 11:22:44
 
嗯嗯
maileyang
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  • 2015-3-19 18:56:19
 
看到了很明显的 Basso先生的风格
1、根据动态响应求出最低的穿越频率
2、TL431和光耦 的计算方法
但是我有个疑问就是,功率级的相移量,好像你没有计算出来啊。是不是还有东西没发出来呢?
荨麻草
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  • 2015-3-19 20:10:13
 
powerstage的phase shift大致可以通过3种方法得到:
1.解析分析(误差最大,但分析过程又必不可少),就是分析传递函数;
2.仿真(准确度介于解析分析和环路分析仪实测之间),比如,对于本例的反激而言:

AC sweep,get the Bode of Power stage:




3.环路分析仪实测,准确度最高,但很难保证每个工程师都有机会用的上。
vurtne
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  • 2015-3-19 20:47:04
 
做梦都想有个环路分析仪,网上查了要30W,小公司老板不会买。我看过很多量产,过了各种认证的板子,431反馈的电容都用的100nF甚至1uF,结合上拉电容一算,零点频率只有100Hz不到,这样我测了也很稳定,是什么原因,书上说的要在120Hz对于输入频率60Hz来说,要满足此处的增益,怎么解释?
看了开关电源设计(第三版)环路补偿类型2极点放在ESR零点之前,零点点基本随意放置,满足相位即可,不过书上举得都是电压模式的例子,basso介绍的电压模式的也是,难道是电压模式的穿越频率要定在esr零点之后,电流模式的定在esr零点之前?我看了仙童官网的反激设计电流模式也是定在了esr零点之前。
在没有环路分析仪的情况下,通过那些手段来判断电源环路是否可靠?
maileyang
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  • 2015-3-19 21:29:53
 
我们公司有环路分析仪
maileyang
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  • 2015-3-19 21:39:32
 
难道是电压模式的穿越频率要定在esr零点之后,电流模式的定在esr零点之前?我看了仙童官网的反激设计电流模式也是定在了esr零点之前。
/************************************************
电压模式的穿越频率,也没有说要在ESR零点之后啊,通常ESR的零点都不低。
电压模型的穿越频率选择:
1、不是要避开LC滤波器的双极点产生的相移吗,BASSO的书上建议是 至少是3倍的输出LC的谐振频率,如果LC滤波器的转折频率是在500HZ,BASSO建议你,至少选择 1.5K的穿越频率。
2、另外,你上面也讲到了,穿越频率和动态响应的dV的关系。
3、同时,穿越频率能低则低,较低的穿越频率能满足环路响应,就不必选择较大的穿越频率。
vurtne
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  • 2015-3-20 08:21:50
 
对于反激LC滤波器是接在第一个大电解后面的,这个L和C一般都相对前面的电解要小,目的是为了让谐振频率高,穿越频率至少要低于1/3这个LC滤波器的转折频率,你说的怎么正好相反?
我的疑问是,要减小误差,就是保证误差放大器在低频如120Hz时候的增益,那么穿越频率定在小于100Hz的地方没问题么?
maileyang
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  • 2015-3-20 08:43:34
 
我说的 不是反激的 这个 第一个大电解后面的。
电压模式中的LC滤波器,是值 BUCK 这种有LC直接滤波的。其余的拓扑 也可以通过占空比 等效出 “ L ” 。建议再看看 PSPICE仿真和实用设计、精通开关电源设计 反馈那一章。
maileyang
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  • 2015-3-19 21:41:55
 
零点的频率越低,不是低频增益越大的意思吗?
对于120HZ的低频扰动,TL431的反馈环路部分,随便用个100NF的电容,在这个点的增益也是非常的大的。
荨麻草
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  • 2015-3-19 22:09:38
 
在没有环路分析仪的情况下,通过那些手段来判断电源环路是否可靠?
环路的稳定性,是电源的一项稳态指标,同时它也能间接的反映出变换器的动态特性,稳态时,在缺乏环路分析仪的情况下,是判断不出来相位余量、带宽等信息的,这时候可通过输出动态负载时,对应的过冲(或者下冲)的形状(与phase margin相关)和大小(与带宽相关)来大致判断环路的带宽和相位余量。
对广泛应用的峰值电流模式控制的线路而言:
1.先估计相位余量,与RLC线路在阶跃输入下的响应波形类似,过阻尼波形phase margin>50°,欠阻尼波形phase margin<50°
2.再估计带宽:fcrossover≈ΔIout/[2*π*ΔVout*Cout]。
对应用不太广泛的电压模式控制变换器,带宽和相位余量判断起来就麻烦一些了....(不展开)


全面的衡量一个电源的环路是否稳定可靠,光看一个点是不够的,需要测试:
[高压输入 额定输入 低压输入] × [低温 常温 高温]
× [空载 半载 满载] × [带容性负载 不带容性负载]
× [光耦CTR折一半 正常CTR 光耦CTR乘2倍 ] = 3×3×3×2×3=162组测试
这些条件下进行矩阵组合测试,每一组数据的动态负载波形均不出问题,才能大致说明环路是可靠的。
vurtne
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  • 2015-3-20 08:23:53
 
谢谢!我记下了,这个阶跃负载我之前在论坛里貌似见过CMG大师说过,但是我找了好久没找到
这个阶跃是设置多少A/us的上升和下降速率,阶跃的频率是多少?
荨麻草
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  • 2015-3-20 09:47:13
 
不同的应用领域,略有不同,一般而言:
民用及工业应用中,0.1A/us,间隔2ms、10ms或100ms等,具体要看客户的要求,如果客户没有明确要求,参考公司内部的测试规范。我个人的经验,0.1A/us和1A/us产生的输出过冲,差别不是十分大,还是参考楼上的带宽估算方法
通信、军事、航空航天应用中,对电流变化率的要求比较苛刻一些,0.1A/us、1A/us5A/us10A/us...等要求都有,间隔时间1ms、2ms等,这时候就必须借助环路分析仪了。
greendot
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  • 2015-3-24 11:40:57
 
为什么50°PM是个分野?电流和电压模式的分别在哪里?
荨麻草
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  • 2015-3-24 12:35:39
 
老师一发问,我心里就咯噔一下,第一感觉就是------我哪里理解的不对。
1.50°的分界,包括那个经验估算方程,其实是个经验范围的(应该是45°~55°之间),并没有非常精确的数学推导。
Phase margin>50 deg


dynamic response:






下图对应的phase margin<50°:





APEC2014有篇论文还对电流模式Buck的Dynamic Response波形形状与Phase margin、Fcrossover之间的关系进行了推导,但我觉得那个推导只能说明方向上正确,推导结果没有普遍意义。
2.至于电压模式和电流模式的分别,说实话,我并没有研究过,只是实际测试过,带宽、相位与动态过冲波形并没有对应关系。
原因之一是:电流模式在重载、轻载条件下,Bode图变化不明显(我是说CCM);但电压模式下,重载、轻载条件下,Bode图的变化可就比较明显了。我想这大概就是因为电压模式的Dynamic response波形的形状不好估算的原因吧。
老师是这方面的专家,还望指点一二呀?
greendot
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  • 2015-3-25 21:53:06
 
现在有两部机子,不知什么topology和control method,但它们的Loop Gain Bode Plot一模一样,Fcross相同,PM相同 等等...,
这样的话,它们的阻尼波形会不会一样 ?
荨麻草
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  • 2015-3-25 22:06:09
 
这种情况下,不一定。因为一般说的Loop Gain Bode Plot,是在“某一个稳定的点”测到的,只能说明那一个点的工作状态...
除非再加个条件:输出电压电流相同,并且从空载到满载,Loop Gain Bode Plot均一样(或非常接近)。
不知理解对否?
greendot
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  • 2015-3-25 23:27:16
 
功率相同,输入电压输出电压电流相同,开关频率相同,测试条件相同 。。
荨麻草
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  • 2015-3-26 11:40:53
 
再假设两台机器都用了同步整流(或者都没用同步整流,且在相同负载条件下切入DCM)...那么,我个人理解,两台机器的动态阻尼波形是一样的。
顺便,从测试记录中翻出了电压模式控制的动态波形(25%负载到75%负载切换,用了同步整流),及对应Bode图(满载测到的),附上。可以看出,在相位裕量很大的情况下(55°以上),动态波形依然是严重欠阻尼的。。。


vurtne
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  • 2015-3-26 13:18:29
 
那个过冲的波形是直流耦合模式还是交流耦合模式,在什么阶跃的条件下测得。
荨麻草
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  • 2015-3-26 19:12:19
 
与测纹波的设置方法一样。
greendot
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  • 2015-3-26 16:28:58
 
问题的潜台词是,不要管是不是相同的Topology和ControlMode,它们的阻尼波形会一样否?


另你前后给的例子,是什么Topology的?Buck type ?
荨麻草
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  • 2015-3-26 19:11:36
 
呵呵,有点绕晕哈
1.在我有限的认知范围内,不要管是不是相同的Topology和ControlMode,只要变换器从空载到满载,Bode图是一样的,他们的阻尼波形(形状,不包括幅值大小)是一样的;
2、28楼给出的例子是buck类(PCM控制的ACF),36楼给的例子是我老大做的有源钳位正反激(不知算不算Buck类)。
我要是理解错了,还望老师帮忙纠正呀
荨麻草
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  • 2015-3-28 12:58:06
 
周末比较无聊,仿真了一个非常规的例子(电压模式和电流模式控制LLC),把相位余量都搞到60°以上,对比一下动态阻尼波形(功率级参数完全一样,负载变化率也一样):
VMC LLC:



CMC LLC:





荨麻草
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  • 2015-3-28 13:31:56
 
以CMC LLC为例,根据输出电容,动态负载范围,带宽,phase margin信息,估算一下输出过冲:





greendot
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  • 2015-3-30 16:51:25
 
这个不乘以1/(1+)T,计算的ΔVo反而更接近仿真的值。
VMC的LLC,Multiple crossover,Step load response 的波形很有趣,貌似一个高频振荡(频率=12KHz?)叠加在一个Exponential 上。
可否仿一下两个LLC的闭环Zo?
荨麻草
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  • 2015-3-30 19:16:17
 
好的,之前的没有保存,源文件做了一些更改,使两者的带宽一致,重新仿了一下:
VMC:



Bode:



Dynamic response:



Zo:


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  • 2015-3-30 19:18:07
 
CMC(电流环挪到了次级):



Bode:



Dynamic Response:



Zo:

gaohq
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  • 2015-4-2 09:59:40
 

荨麻草
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  • 2015-4-2 10:12:11
 
1.place----probe-----inline current probe
2.place---analog function------pop trigger
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  • 2015-4-3 09:08:57
  • 倒数4
 
我的没有,是版本的问题吧,可否给个高版本的学习下。

荨麻草
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  • 2015-4-3 21:24:35
  • 倒数1
 
无关版本,仿真引擎没选对:
File--->select simulator---->simplis
荨麻草
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  • 2015-3-30 19:23:41
 
闭环输出阻抗对比:


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  • 2015-3-31 14:14:50
 
谢谢,还欠Phase的Comparison哟



荨麻草
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  • 2015-4-2 09:08:21
 
是输出阻抗的相位对比么?
荨麻草
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  • 2015-4-2 10:19:21
 

greendot
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  • 2015-4-2 11:45:22
 
是的,有劳了。LLC Zocl 的相图如来是这样的。
VMC Zocl :幅值在4.8KHz处有peaking,相位也在4.8KHz附近陡变,Q值大概=2 (从幅值图中估算),
CMC Zocl :幅值在3KHz处最大,可相位不在3KHz,却在4.8KH附近陡变,Q值大概 0.7 。
荨麻草
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  • 2015-4-2 12:47:25
 
哦,这样看应该更清楚一些:
VMC Zocl :





CMC Zocl :




CMC Zocl的幅频和相频的转折点应该都在3kHz吧
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  • 2015-4-2 13:41:29
  • 倒数10
 
这样就合理了,59楼的相位图有误吧。
荨麻草
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  • 2015-4-2 14:32:29
  • 倒数9
 
是的,误操作了
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  • 2015-4-2 14:54:04
  • 倒数8
 
还有哪个是誤操作的? 快快自首.
荨麻草
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  • 2015-4-2 15:09:53
  • 倒数7
 
确认了一下,就59楼那张图是误操作。
源文件:
链接:http://pan.baidu.com/s/1hqpIIdI 密码:4n9u
greendot
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是了。
荨麻草
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  • 2015-3-25 22:12:22
 
在调机的时候,发现峰值电流模式的过冲(下冲)波形是有规律可寻的(从动态波形判断带宽和PM),但电压模式实在找不到有什么规律。
greendot
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专家
  • 2015-4-2 23:05:19
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也来个仿真,Averaged Model 的,


Buck PCMC
Fcross=5KHz , 小信号Step Load , PM = 30,50,70 度

Zo_cl : PM vs Q


把Co的ESR加大点,改Compensation,令Fcross 仍是5KHz,Step Response:




所以 Critical damping 在PM=50度左右不一定对。(当然这只是仿真,由于实际Parasitics的存在,这结论是有一定偏差的


荨麻草
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版主
  • 2015-4-3 20:51:53
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老师一席话,省我十本书呀
的确,我接触的电源用到的输出电容几乎都是陶瓷的,ESR的影响大致可忽略的,所以才得到了那个经验结论。
windh
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  • 2015-3-24 12:23:00
 
荨麻草
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  • 2015-3-19 22:15:11
 
书上说的要在120Hz对于输入频率60Hz来说,要满足此处的增益,怎么解释?
这个三两句话是说不清楚的,有机会可以看一看《fundamentals of powerelectronics》,第9、10章,关于音频隔离度的概念。
vurtne
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  • 2015-3-20 08:32:13
 
好的!正好有这个的PDF文档的,另外问个题外话,basso先生的《开关电源spice仿真与实用技术》为什么买不到,这么好的书为什么不卖?
我在图书馆借了本,还要定期还,还不能在上面标注。
世纪电源网-小王
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  • 2015-3-20 15:53:24
 
应该有卖的吧
jeetag
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  • 2015-3-23 11:42:41
 
有电子版的,不知需要吗?你要中文版本的还是英文的?
世纪电源网-小王
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  • 2015-3-23 11:51:09
 
都可以 求来一份
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2015-3-25 16:13:54
 
你也看这书?看看这个帖子,关于这书的 https://bbs.21dianyuan.com/210038.html
lansunhsu
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  • 2015-3-24 09:47:11
 
Bode 100,6万左右。
vurtne
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  • 2015-3-24 10:44:02
 
那么便宜么,测试能准么?
荨麻草
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  • 2015-3-24 12:41:46
 
说的可能是AP 100吧?
差不多就这个价钱了,准确度应该不用怀疑,AP instrument出品,必属精品。
vurtne
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  • 2015-3-26 13:19:25
 
和老板申请买个
荨麻草
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  • 2015-3-26 19:16:09
 
这个性价比不是特别高,要买就买AP Model 300,稍贵一点,但功能强悍
vurtne
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  • 2015-3-26 20:03:30
 
AP Model 300 淘宝上搜不到,一搜全是路由器之类的。
OMICRON Bode 100 倒是搜到了 淘宝上要15W大洋,我看暂时还是捞不着摸这种高大上的东西了

荨麻草
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  • 2015-3-26 19:16:37
 
这个性价比不是特别高,要买就买AP Model 300,稍贵一点,但功能强悍
westbrook
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  • 2015-3-26 17:28:12
 
现在的公司基本都有环路分析仪吧,如果连这个都没有,那如何保证模块的稳定性?
vurtne
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  • 2015-3-26 19:47:39
 
小公司,主要是作加工的,老板想自己做。我也是新手刚开始学,暂时还看不到光明啊,周围也没个懂的人带。自己闷头学。。苦逼。。以前研究了好几年单片机。。这个公司做电源暂时完全用不上都快忘的差不多了。
相思和星辰
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  • 2015-3-29 11:30:39
 
你好,我用的是ORCAD10.5版本的,您电路中的PWMCM哪里有啊?
vurtne
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  • 2015-3-30 08:36:55
 
我用的是16.6版本的,《开关电源Spice仿真与实用设计》作者Basso光盘资料里面的
相思和星辰
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  • 2015-4-3 19:14:10
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