基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

标签：开关电源 脉冲负载 隔离

摘要： 基于脉冲负载的开关电源在毫米波系统中得到广泛应用。分析了脉冲负载的原理， 对影响脉冲电源输出电压的各种因素进行探讨， 提出了分析脉冲电源的基本方法。基于以上方法， 较全面地评估了非隔离和隔离两种情况下拓扑结构对脉冲负载的影响， 提出了适合脉冲负载的拓扑结构。采用该方案， 设计了一个实验电路。仿真和实验电路测试结果表明， 分析设计满足要求。

1 引言

随着毫米波技术的发展， 对开关电源的性能提出了更高的要求。除了要求电源系统具有输出电压精度高、输出纹波低、输出过冲小的特点外， 还要求电源具有快速的动态响应。动态响应指标对应的是电源脉冲负载问题。由于开关电源具有有限的响应速度， 对于突变的负载， 电源系统不能及时响应输出的变化， 造成输出电压的跌落。在用于脉冲负载的电源系统中， 维持输出电压的稳定是相当困难的。

本文通过对脉冲负载的机理进行理论分析， 对传统的开关电源拓扑结构进行分析、仿真、计算， 找出不同结构之间实现脉冲负载的差异; 得到能够实现中小功率脉冲负载的拓扑结构。通过设计实例，证明了该结构的优点。

2 脉冲负载原理与仿真

2. 1 脉冲负载原理

基于脉冲负载的开关电源结构如图1 所示。整个结构由输入电压VIN 、功率变换PWM、输出滤波电感L 和输出滤波电容C 、脉冲开关G、负载RLOAD组成。滤波电容包含等效电阻Cesr 和等效电感Cesl 。

图1 基于脉冲负载的开关电源

电路基本原理是： PWM 控制单元将输入电压VIN 转换为固定的输出VOUT , 输出连接一个PMOS开关管， 通过脉冲信号， 将功率传输到负载; 此时， 流过负载RLOAD 的电流是脉动的。

在控制脉冲到来时， 功率开关管G 导通， 负载电流开始线性增加， 如图2 所示。输出电流从0 A开始， 在T r 时间内， 上升到固定输出电流I out 。通常， T r 为纳秒级。开关电源的开关频率通常为几百kHz。在这样短的时间内， 由于开关电源的控制回路存在延迟， 来不及反映输出电压的变化情况， 不能将输入电源的能量传递到输出电容， 以便补充负载从电容上消耗的能量。换句话说， 在T r 时间内， 负载所消耗的能量只能从电容上拉取。

图2 负载电流上升时序

由于电容在高频下等效为电容和电阻、电感的串联模型， 所以， 在T r 时间段内， 负载电容上的电压跌落应该是电容和等效电阻、等效电感三者共同作用的结果。由电荷相等公式( 1) , 可得电容产生的跌落电压( ( 2) 式) :

式中，

表示在电流上升过程中三角形的面积。

电阻产生的跌落可由( 3) 式得到：

电感产生的跌落可以由( 4) 式得到：

在Tr 时间段内， 由负载突变造成的输出电压跌落为：

在负载电流达到最大值后， 电容上的电压继续跌落， 直到反馈系统开始工作， 电感的平均电流等于负载电流时， 电容上面的电压才开始回升。反馈系统开始工作， 取决于反馈系统的响应速度， 也就是取决于整个电源环路的带宽。假设整个环路的的交叉频率为f 。， 输出电压的跌落可以通过交叉频率f 处的输出滤波电容的容抗计算 。输出电容在交叉频率处的容抗为：

故由反馈环路引起的电压跌落可以由( 6) 式得到：

2. 2 脉冲负载仿真

根据脉冲负载原理， 构建一个非隔离Buck 控制器进行仿真。开关频率为400 kHz, 滤波电容的等效电阻为50 mΩ ，等效电感为10 nH, 电容容量为330μ F，整个回路的交越频率为25 kHz。仿真结果如图3所示。脉冲负载幅度为3 A, 上升时间50 ns。

图3 脉冲负载原理仿真

电路仿真结果如图4 所示。输出电压波形在突然增加负载时开始跌落， 由于整个PWM 的反馈系统还没有起作用， 电容的电压被拉低， 形成一个凹陷。随着PWM 开始检测到输出电压的降低， 开始从输入端传递能量到滤波电容上， 电容的电压开始回升， 直到回到稳定值。电压从跌落到恢复到稳定值的过程中， 没有出现振荡， 表明在此参数条件下，整个电源环路具有合适的增益余量和相位余量。

图4 脉冲负载输出电压

局部放大波形如图5 所示。图6 是图5 中B 处的放大时序， 此处的凹陷主要由电容上等效电感和等效电阻的影响造成。从仿真图上可以看出， 等效电感引起的跌落为601 mV, 与用( 4) 式计算的结果( 600 mV) 相当。当负载电流达到最大值后， 电压开始回升600 mV。等效电感造成的电压跌落消失。等效电阻产生的最大跌落为Iout×Cesr = 150 mV, 与仿真结果145 mV 一致。

图5 图4中A处的放大波形

从图5 可以看出， 当负载电流达到最大值后， 等效电感产生的电压跌落消失， 等效电阻产生的电压跌落达到最大值150 mV。随后，