鉅大LARGE | 點擊量：1601次 | 2019年12月27日
基于脈沖負載的開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：基于脈沖負載的開關(guān)電源在毫米波系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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?；谝陨戏椒?，較全面地評估了非隔離和隔離兩種情況下拓撲結(jié)構(gòu)對脈沖負載的影響，提出了適合脈沖負載的拓撲結(jié)構(gòu)。采用該方案，設(shè)計了一個實驗電路。仿真和實驗電路測試結(jié)果表明，分析設(shè)計滿足要求。
1引言
隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，對開關(guān)電源的性能提出了更高的要求。除了要求電源系統(tǒng)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(yīng)。動態(tài)響應(yīng)指標對應(yīng)的是電源脈沖負載問題。由于開關(guān)電源具有有限的響應(yīng)速度，對于突變的負載，電源系統(tǒng)不能及時響應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)進行分析、仿真、計算，找出不同結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)脈沖負載的差異；得到能夠?qū)崿F(xiàn)中小功率脈沖負載的拓撲結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計實例，證明了該結(jié)構(gòu)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(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個結(jié)構(gòu)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(guān)G、負載RLOAD組成。濾波電容包含等效電阻Cesr和等效電感Cesl。
電路基本原理是：PWM控制單元將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為固定的輸出VOUT，輸出連接一個PMOS開關(guān)管，通過脈沖信號，將功率傳輸?shù)截撦d；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(guān)管G導(dǎo)通，負載電流開始線性增加，如圖2所示。輸出電流從0A開始，在Tr時間內(nèi)，上升到固定輸出電流Iout。通常，Tr為納秒級。開關(guān)電源的開關(guān)頻率通常為幾百kHz。在這樣短的時間內(nèi)，由于開關(guān)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Tr時間內(nèi)，負載所消耗的能量只能從電容上拉取。
由于電容在高頻下等效為電容和電阻、電感的串聯(lián)模型，所以，在Tr時間段內(nèi)，負載電容上的電壓跌落應(yīng)該是電容和等效電阻、等效電感三者共同作用的結(jié)果。由電荷相等公式（1），可得電容產(chǎn)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(chǎn)生的跌落可由（3）式得到：
電感產(chǎn)生的跌落可以由（4）式得到：
在Tr時間段內(nèi)，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(tǒng)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(tǒng)開始工作，取決于反饋系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也就是取決于整個電源環(huán)路的帶寬。假設(shè)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：
