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  • 基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

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    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 。

     

      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。

     

      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

     

    表示在电流上升过程中三角形的面积。