基于脈沖負載的中小功率開關(guān)電源研究

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 。

圖1   基于脈沖負載的開關(guān)電源

　　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0 A開始， 在T r 時間內(nèi)， 上升到固定輸出電流I out 。通常， T r 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T r 時間內(nèi)， 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(lián)模型， 所以， 在T r 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。