標簽：開關電源 脈沖負載 隔離

摘要： 基于脈沖負載的開關電源在毫米波系統中得到廣泛應用。分析了脈沖負載的原理， 對影響脈沖電源輸出電壓的各種因素進行探討， 提出了分析脈沖電源的基本方法。基于以上方法， 較全面地評估了非隔離和隔離兩種情況下拓撲結構對脈沖負載的影響， 提出了適合脈沖負載的拓撲結構。采用該方案， 設計了一個實驗電路。仿真和實驗電路測試結果表明， 分析設計滿足要求。

1 引言

隨著毫米波技術的發(fā)展， 對開關電源的性能提出了更高的要求。除了要求電源系統具有輸出電壓精度高、輸出紋波低、輸出過沖小的特點外， 還要求電源具有快速的動態(tài)響應。動態(tài)響應指標對應的是電源脈沖負載問題。由于開關電源具有有限的響應速度， 對于突變的負載， 電源系統不能及時響應輸出的變化， 造成輸出電壓的跌落。在用于脈沖負載的電源系統中， 維持輸出電壓的穩(wěn)定是相當困難的。

本文通過對脈沖負載的機理進行理論分析， 對傳統的開關電源拓撲結構進行分析、仿真、計算， 找出不同結構之間實現脈沖負載的差異; 得到能夠實現中小功率脈沖負載的拓撲結構。通過設計實例，證明了該結構的優(yōu)點。

2 脈沖負載原理與仿真

2. 1 脈沖負載原理

基于脈沖負載的開關電源結構如圖1 所示。整個結構由輸入電壓VIN 、功率變換PWM、輸出濾波電感L 和輸出濾波電容C 、脈沖開關G、負載RLOAD組成。濾波電容包含等效電阻Cesr 和等效電感Cesl 。

圖1 基于脈沖負載的開關電源

電路基本原理是： PWM 控制單元將輸入電壓VIN 轉換為固定的輸出VOUT , 輸出連接一個PMOS開關管， 通過脈沖信號， 將功率傳輸到負載; 此時， 流過負載RLOAD 的電流是脈動的。

在控制脈沖到來時， 功率開關管G 導通， 負載電流開始線性增加， 如圖2 所示。輸出電流從0 A開始， 在T r 時間內， 上升到固定輸出電流I out 。通常， T r 為納秒級。開關電源的開關頻率通常為幾百kHz。在這樣短的時間內， 由于開關電源的控制回路存在延遲， 來不及反映輸出電壓的變化情況， 不能將輸入電源的能量傳遞到輸出電容， 以便補充負載從電容上消耗的能量。換句話說， 在T r 時間內， 負載所消耗的能量只能從電容上拉取。

圖2 負載電流上升時序

由于電容在高頻下等效為電容和電阻、電感的串聯模型， 所以， 在T r 時間段內， 負載電容上的電壓跌落應該是電容和等效電阻、等效電感三者共同作用的結果。由電荷相等公式( 1) , 可得電容產生的跌落電壓( ( 2) 式) :

式中，

表示在電流上升過程中三角形的面積。

電阻產生的跌落可由( 3) 式得到：

電感產生的跌落可以由( 4) 式得到：

在Tr 時間段內， 由負載突變造成的輸出電壓跌落為：

在負載電流達到最大值后， 電容上的電壓繼續(xù)跌落， 直到反饋系統開始工作， 電感的平均電流等于負載電流時， 電容上面的電壓才開始回升。反饋系統開始工作， 取決于反饋系統的響應速度， 也就是取決于整個電源環(huán)路的帶寬。假設整個環(huán)路的的交叉頻率為f 。， 輸出電壓的跌落可以通過交叉頻率f 處的輸出濾波電容的容抗計算 。輸出電容在交叉頻率處的容抗為：

故由反饋環(huán)路引起的電壓跌落可以由( 6) 式得到：

2. 2 脈沖負載仿真

根據脈沖負載原理， 構建一個非隔離Buck 控制器進行仿真。開關頻率為400 kHz, 濾波電容的等效電阻為50 mΩ ，等效電感為10 nH, 電容容量為330μ F，整個回路的交越頻率為25 kHz。仿真結果如圖3所示。脈沖負載幅度為3 A, 上升時間50 ns。

圖3 脈沖負載原理仿真

電路仿真結果如圖4 所示。輸出電壓波形在突然增加負載時開始跌落， 由于整個PWM 的反饋系統還沒有起作用， 電容的電壓被拉低， 形成一個凹陷。隨著PWM 開始檢測到輸出電壓的降低， 開始從輸入端傳遞能量到濾波電容上， 電容的電壓開始回升， 直到回到穩(wěn)定值。電壓從跌落到恢復到穩(wěn)定值的過程中， 沒有出現振蕩， 表明在此參數條件下，整個電源環(huán)路具有合適的增益余量和相位余量。

圖4 脈沖負載輸出電壓

局部放大波形如圖5 所示。圖6 是圖5 中B 處的放大時序， 此處的凹陷主要由電容上等效電感和等效電阻的影響造成。從仿真圖上可以看出， 等效電感引起的跌落為601 mV, 與用( 4) 式計算的結果( 600 mV) 相當。當負載電流達到最大值后， 電壓開始回升600 mV。等效電感造成的電壓跌落消失。等效電阻產生的最大跌落為Iout×Cesr = 150 mV, 與仿真結果145 mV 一致。

圖5 圖4中A處的放大波形

從圖5 可以看出， 當負載電流達到最大值后， 等效電感產生的電壓跌落消失， 等效電阻產生的電壓跌落達到最大值150 mV。隨后， 電容電壓繼續(xù)跌落， 待反饋回路起作用后， 電感的平均電流等于負載電流時， 輸出電壓開始回升， 最終回到穩(wěn)定的狀態(tài)。

從圖5 可以看出， 反饋環(huán)路響應速度的快慢影響著輸出電壓的跌落幅度。