基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

对于升压变换器， 反激变换器增加了一个变压器， 实现了输入输出的隔离。

图9 基本的反激变换器结构

通过对变压器进行伏秒平衡分析， 得到电流连续模式下反激变换器的传输关系：

相对于升压变换器， 反激变换器只增加一个变压器。从本质上讲， 其小信号传输关系是在升压变换器的小信号关系上增加变压器匝比。因此， 电压连续模式反激变换器的小信号传输关系为：

从( 10) 式可以看出， 工作在连续模式下的反激变换器同样存在右半平面零点sz 2。与升压变换器一样， 反激变换器也不能实现宽的环路带宽， 因此，反激变换器也不适合用于脉冲负载电源。

3. 3. 2 正激变换器的脉冲负载分析

典型的正激变化器结构如图10 所示。正激变换器的工作原理与降压型变换器相同， 增加了一个用于输入输出隔离的变压器。

图10 正激变换器结构

工作于电压模式连续的正激变换器小信号传递函数为：

相对于降压变换器控制器的传递函数， ( 11) 式只是增加了变压器的匝比。因此， 正激变换器没有右半平面零点， 能够实现宽的带宽， 减小因脉冲负载造成的跌落。相对于降压变换器控制器的多种控制方式， 正激变换器主要有电压控制和电流控制方式。

由于电流控制方式更容易补偿环路， 因此， 在正激变换器中， 主要采用电流控制模式。

负载电流是从0 到满载， 正激变换器往往从空载到满载变换。由于需要跨越输出电感电流从非连续到连续模式， 增加了环路的响应时间。因此， 最好让正激变换器工作在连续模式， 而不管负载电流的变化。一种方法是在输出添加假负载， 但是会造成电路的效率下降， 另一种特别有效的方式是采用同步整流方式。同步整流的好处是可以提高效率， 但它更突出的特点是能够使电路工作在连续模式。

图11 采用二极管整流方式的正激变换器

由于采用二极管整流方式， 当工作在轻载时， 整个电路工作在电流断续模式; 当突然加负载时， 电路过渡到连续模式。其脉冲负载的仿真波形如图12 所示。

图12 采用二极管整流方式的脉冲负载的仿真波形

从图12 可以看出， 由于存在模式的突变， 在突然添加负载时候， 输出电压跌落为0. 5 V.

图13 是采用同步整流方式的正激变换器， 整个电路工作在电流连续模式; 图14 是采用同步整流方式的正激变换器仿真波形。从图中可以看出， 采用同步整流方式， 在脉冲负载条件下， 输出电压的波动在0. 2 V 以内。

图13 采用同步整流方式的正激变换器

图14 同步整流方式的正激变换器仿真波形

4 实验验证

采用正激结构加同步整流方式， 设计了一个隔离的脉冲负载电源。电路输入电压为17~ 36 V, 输出为6 V/ 3 A , 开关频率为200 kHz, 输出滤波电容为200 F, 要求在3 A 负载时输出电压跌落小于0. 2 V。图15 为本文设计的线路图， 控制器采用电流型脉宽控制器LM5026, 其中整流MOS 管Q1 采用自驱方式， 同步整流管Q 2 采用变压器隔离驱动方式。图16 为实验验证电路的版图。

图15 本文设计的脉冲负载电源线路

图16 本文设计的脉冲负载电源版图

由于采用同步整流方式， 输出滤波电感的电流是连续的。当负载很轻时， 输出电感的电流方向会反向， 并通过续流MOS 管Q2 到地继续流动。电流连续模式的好处就是整个控制器在脉冲负载条件下工作时， 不会出现从非连续模式到连续模式的突变，更利于变压器环路的稳定。

判断输出电感是否进入连续模式， 可以通过测试输入PWM 控制器的输出脉冲占空比来测定， 或者是初级开关管漏极波形来判断。如果变换器从空载到满载条件下占空比不变， 则表明变换器在空载条件下已经进入电流连续模式。图17 是变换器在空载条件下的漏极波形。从波形上可以看出， 变换器在空载条件下开关频率为200 kHz, 漏极波形占空比为59. 18%。

图17 空载时的漏极波形

图18 是变换器带载3 A 时的漏极波形。从波形上可以看出， 在带载条件下， 漏极波形的占空比为59. 78%, 与空载基本一致， 表明电路在空载时已经进入连续模式。由于电源环路的截止频率必须小于开关频率的1/ 5, 为了更好地抑制纹波， 通过对环路补偿进行设置， 将截止频率设定在开关频率的1/ 10处， 即20 kHz。由( 6) 式可以算出， 在3 A 负载下，输出电压的跌落为0. 119 V。图19 是实际测试脉冲负载时的输出电压波形。从图中可以看出， 输出电压的跌落为0. 1 V, 与计算值相当， 证明正激变换器加同步整流适合于脉冲负载电源。

图18 满载时的漏极波形

图19 输出电压波形

5 结论

本文通过对脉冲负载的机理分析、计算、仿真，验证了在小功率非隔离变换器中升压结构不适合脉冲负载结构， 降压变换器加同步整流是最适合脉冲负载的