基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

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   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。

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（ （ 2） 式） :

　　式中，

表示在电流上升过程中三角形的面积。