基于脈沖負載的開關電源設計與實現

摘要：基于脈沖負載的開關電源在毫米波系統中得到廣泛使用。分解了脈沖負載的原理，對影響脈沖電源輸出電壓的各種因素進行探討，提出了分解脈沖電源的基本辦法。基于以上辦法，較全面地評估了非隔離和隔離兩種情況下拓撲結構對脈沖負載的影響，提出了適合脈沖負載的拓撲結構。采用該方案，設計了一個試驗電路。仿真和試驗電路探測結果聲明，分解設計滿足要求。

1引言

隨著毫米波技術的發展，對開關電源的性能提出了更高的要求。除了要求電源系統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應和。動態應和指標對應的是電源脈沖負載問題。由于開關電源具有有限的應和速度，對于突變的負載，電源系統不能及時應和輸出的變化，造成輸出電壓的跌落。在用于脈沖負載的電源系統中，維持輸出電壓的穩定是相當困難的。

本文通過對脈沖負載的機理進行理論分解，對傳統的開關電源拓撲結構進行分解、仿真、計算，找出不同結構之間實現脈沖負載的差異；得到能夠實現中小功率脈沖負載的拓撲結構。通過設計實例，證明了該結構的優勢。

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電源結構如圖1所示。整個結構由輸入電壓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G、負載RLOAD組成。濾波電容蘊含等效電阻Cesr和等效電感Cesl。

圖1基于脈沖負載的開關電源

電路基本原理是：PWM控制單元將輸入電壓VIN轉換為固定的輸出VOUT，輸出連接一個PMOS開關管，通過脈沖信號，將功率傳輸到負載；此時，流過負載RLOAD的電流是脈動的。

在控制脈沖到來時，功率開關管G導通，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，上升到固定輸出電流Iout。通常，Tr為納秒級。開關電源的開關頻率通常為幾百kHz。在這樣短的時間內，由于開關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，負載所消耗的能量只能從電容上拉取。

圖2負載電流上升時序

由于電容在高頻下等效為電容和電阻、電感的串聯模型，所以，在Tr時間段內，負載電容上的電壓跌落應當是電容和等效電阻、等效電感三者共同作用的結果。由電荷相等公式（1），可得電容萌生的跌落電壓（（2）式）：

式中，表示在電流上升過程中三角形的面積。

電阻萌生的跌落可由（3）式得到：

電感萌生的跌落可以由（4）式得到：

在Tr時間段內，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，電容上的電壓持續跌落，直到反饋系統開始工作，電感的均勻電流等于負載電流時，電容上面的電壓才開始回升。反饋系統開始工作，取決于反饋系統的應和速度，也就是取決于整個電源環路的帶寬。假設整個環路的的交織頻率為f。，輸出電壓的跌落可以通過交織頻率f處的輸出濾波電容的容抗計算。輸出電容在交織頻率處的容抗為：

故由反饋環路引起的電壓跌落可以由（6）式得到：

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