Шум создается везде, где имеют место быстрые переходы в сигналах напряжения и/или тока. Многие сигналы, особенно в импульсных источниках питания, являются периодическими, то есть, сигнал, содержащий импульсы с высокочастотными фронтами, повторяется с предсказуемой частотой следования импульсов (pulse repetition frequency, PRF). Для импульсов прямоугольной формы обращение этого периода определяет основную частоту самой волны. Преобразование Фурье волны прямоугольной формы создает множество гармоник этой основной частоты. Обращение двойного значения времени переднего или заднего фронта импульсов является оценкой спектральной основной частоты этих фронтов. Это типично в мегагерцевом диапазоне, и гармоники могут достигать очень высоких частот.
В импульсных источниках питания с ШИМ ширина импульсов прямоугольной формы непрерывно изменяется в ответ на рабочее состояние источника. В результате получаем почти распределение энергии белого шума с отдельными пиками и уменьшением амплитуды с повышением частоты. На рис. Д.1 показан спектр, излучаемый вблизи автономного обратноходового импульсного источника питания с ШИМ без демпфирования.Как видим, спектральные компоненты распространяются дальше 100 МГц (вправо) и, если их не фильтровать и не экранировать, будут создавать помехи для бытовой электронной аппаратурой.
Квазирезонансные и резонансные импульсные источники питания имеют гораздо более привлекательную форму спектра излучения. Это связано с тем, что, благодаря резонансным элементам, переходные процессы происходят на более низких частотах, и таким образом в спектре присутствуют только низкочастотные компоненты (менее 30 МГц). Высокочастотные спектральные компоненты почти отсутствуют. Спектр излучения вблизи квазирезонансного обратноходового преобразователя показан на рис. Д.2. Семейства квазирезонансных преобразователей, а также преобразователей с плавным переключением гораздо более "тихие" и легче поддаются фильтрации.

Прежде чем перейти к проектирванию компенсации усилителя ошибки, желательно знать, что собой представляет устойчивая система с замкнутым контуром. Правило, имеющее отношение к устойчивости, звучит элементарно:
Запаздывание фазы замкнутого контура никогда не должно превышать —330 градусов всякий раз, когда усиление в системе с замкнутым контуром больше единицы (или 0 дБ).
Фактически, проектировщиками обычно используется предел запаздывания общей фазы, равный 315°. При величинах запаздывания, более близких к 360°, система становится метаустойчивой. Это может привести к разбиению питания на периоды колебаний в случае возникновения больших нагрузок или одиночных всплесков в линии.
Перечислим некоторые термины, связанные с анализом устойчивости системы:
• запас по фазе — значение фазы системы с замкнутым контуром при частоте перехода на усилении (G(s) = 0 дБ);
• запас по усилению — значение усиления, когда фаза переходит-360°;
• фаза превышения — точка самого близкого приближения фазовой характеристики к значению -360° всякий раз, когда усиление больше 1 (0 дБ).
Из этих трех понятий наиболее важным является фаза превышения, поскольку частота перехода на усилении обычно значительно выше, чем точка максимального запаздывания фазы, обусловленная полюсом фильтра.

Прежде чем проектировщик сможет приступить к разработке устойчивой цепи отрицательной обратной связи, следует определить поведение управляемой системы. Для этого необходимо иметь общее понимание о вкладе всех основных секций схемы импульсного источника питания в общую характеристику Боде разомкнутого контура. К счастью, общепринятые топологии, описанные в этой книге, уже разбиты на две категории в соответствии с основными типами характеристик. Выбор одной из характеристик зависит от ранее выбранного хода проектирования. Итак, типы характеристик бывают следующими:
• прямоходовые преобразователи с управлением по напряжению;
• обратноходовые преобразователи с управлением по напряжению, а также прямоходовые и обратноходовые преобразователи с управлением по току.
Используется ли в топологии изолирующий трансформатор или нет, влияет только на характеристики постоянного тока. Упомянутые выше обратноходовые преобразователи работают исключительно в прерывистом режиме.
Характеристика "схема управления - выход" — это просто поведение источника питания, когда из системы удален усилитель ошибки. Точка, в которой напряжение рассогласования поступает в преобразователь с ШИМ, рассматривается как входная пара полюсов системы. Точка, в которой обратная связь по выходному напряжению поступает на отрицательный вход усилителя ошибки, является выходной парой полюсов системы.

Для того чтобы увеличить КПД импульсного источника питания, необходимо идентифицировать и приблизительно измерить различные потери. Потери внутри импульсного источника питания можно грубо разбить на три категории: потери переключений, потери на электропроводность, статические и резистивные потери. Эти потери обычно возникают в комбинации друг с другом внутри "дырявых" компонентов, а обрабатываются раздельно.
Перечисленные в этой таблице потери имеют отношение к базовым импульсным источникам питания с ШИМ без приложения каких-либо усилий для того, чтобы увеличить их КПД. Следовательно, указанные значения КПД можно рассматривать как базовые для конкретной топологии. Области, в которых возникают основные потери, можно обнаружить в узлах переменного тока внутри секции питания. В одном или нескольких узлах, в зависимости от того, используется или нет изолирующий трансформатор, можно обнаружить переходные процессы при переключении и состояния проводимости ключе и выпрямителей. Наиболее информативным узлом переменного тока является сток или коллектор ключа. Вторым наиболее важным узлом переменного тока является анод выходного выпрямителя. Эти узлы будут в центре нашего внимания при работе по увеличению КПД импульсных источников питания.

Самый лучший метод создания компоновки печатной платы для импульсного источника питания аналогичен методу его электрического проектирования. Рассмотрим ход такого проектирования.
1. Разместите трансформатор или индуктор.
2. Скомпонуйте токовую петлю ключа.
3. Скомпонуйте петлю(и) выходного выпрямителя.
4. Соедините схему управления со схемами питания переменного тока.
5. Скомпонуйте петлю входного источника и входной фильтр.
6. Скомпонуйте петлю(и) выходной нагрузки и выходных фильтров.
Разработчик должен взять за хорошую привычку "наполнять" печатную плату металлом. То есть, не должно быть больших областей стекловолокна без покрытия. Для заполнения этих пустых областей должны быть расширены дорожки заземления и питания. Это — хорошая практика по двум причинам: во-первых, преобразо¬ватель лучше излучает тепло и, во-вторых, большие медные площади поглощают и рассеивают радиочастотную энергию лучше, если способствуют протеканию вихревых токов.
Конечно же, разработка источника питания обычно откладывается до последнего момента, так что свободного места на плате остается, как правило, слишком мало и с неправильным размещением. Все это означает, что строго следовать приведенному выше алгоритму обычно не удается, поэтому каждый разработчик, понимая важность электрических факторов в проектировании конечного изделия, должен делать все возможное, чтобы исправить эту ситуацию.

Линии заземления, представленные нижней ветвью токовых петель, мы обсуждали ранее. Тем не менее, они выполняют очень важную функцию общей точки привязки для схемы, и потому их размещение в компоновке платы следует уделять самое пристальное внимание. Смешивание линий заземления будет порождать проблемы со стабильностью работы источника питания.
Отдельного рассмотрения заслуживает "земля" схемы управления, соединенная с микросхемой контроллера и всеми связанными с ней пассивными компонентами. Эта "земля" чрезвычайно чувствительна и должна быть размещена после размещения остальных петель переменного тока. Существуют очень специфичные точки, в которых "земля" схемы управления соединяется с другими линиями заземления. Это соединение, в основном, располагают на общем конце какого-либо компонента, на котором схема управления будет считывать некоторое малое напряжение. Эти точки должны включать общий конец резистора считывания тока в импульсном преобразователе, работающем в токовом режиме, и нижний конец резисторного делителя выходного напряжения. Таким образом создается малошумное соединение Кельвина между считывающими компонентами и чувствительными входами к уси¬лителям тока или ошибки. Если "земля" схемы управления соединяется с любыми другими точками, то создаваемый внутри перечисленных петель шум будет смеши¬ваться с управляющими сигналами и нарушать точность функционирования контроллера. Линии заземления в трех основных типах топологии импульсных источников питания.
Каждая из линий заземления, рассчитанных на ток большой силы, должна быть короткой и иметь широкие дорожки на печатной плате. Общее правило заключается в том, что единственной точкой, в которой другие линии заземления связаны с линиями заземления переменного тока большой силы, должен быть общий контакт конденсаторов фильтра.