基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

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1、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、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0A开始，在Tr时间内，上升到固

3、定输出电流Iout。通常，Tr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Tr时间内，负载所消耗的能量只能从电容上拉取。　　东营变频器维修东营变频器http://blog.sina.com.cn/u/2191794855　　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Tr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

4、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：　　东营变频器维修东营变频器http://blog.sina.com.cn/u/2191794855　　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

5、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：东营变频器维修东营变频器http://blog.sina.com.cn/u/2191794855　　　　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400kHz,滤波电容的等效电阻为50mΩ，等效电感为10nH,电容容量为330μF，整个回路的交越频率为25kHz。仿真结果如图3所示。脉冲负载幅度为3A,上升时间50ns。　　　　图3脉冲负载原理仿真　　电路仿真结果如图4所示

6、。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。　　东营变频器维修东营变频器http://blog.sina.com.cn/u/2191794855　　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

7、图上可以看出，等效电感引起的跌落为601mV,与用(4)式计算的结果(600mV)相当。当负载电流达到最大值后，电压开始回升600mV。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=150mV,与仿真结果145mV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150mV。随后，电容电压继续跌落，待反馈回路起作用后，电感的平均电流等于负载电流时，输出电压开始回升，最终回到稳定的状态。　　从图5可以看出，反馈环路响应速度的快慢影响着输出电压的

8、跌落幅度。　　3几种控制方式的比较　　3.1影响脉冲