局用通信設(shè)備中開關(guān)電源動態(tài)性能的改善方法

0 引言
開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點及其擁有的廣泛用途是眾所周知的，具性能直接影響著用電儀器、裝置及系統(tǒng)的運行性能及安全性。大功率開關(guān)電源的應(yīng)用特點是其輸出端并接的負(fù)載數(shù)量多。對開關(guān)電源而言，各負(fù)載的投運、撤運具有一定的“隨機(jī)性”，即負(fù)載擾動范圍大，而這種擾動直接引起系統(tǒng)參數(shù)的攝動使輸出電壓值動態(tài)變化大、恢復(fù)時間長，不僅影響穩(wěn)壓性能，嚴(yán)重時將危及通信設(shè)備的正常運行，尤其在輕載時將產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。目前，針對上述問題的開關(guān)電源設(shè)計中含有較強的實驗整定性，但對負(fù)載頻繁擾動的影響尚無系統(tǒng)化的解決方案。本文主要針對上述問題展開研究，期望提出一種易于實施的工程設(shè)計方法，以簡化、縮短開關(guān)電源的設(shè)計及調(diào)試過程，并使之具有良好的動、靜態(tài)性能，以提高局端通信設(shè)備的可靠性。

1 局用通信系統(tǒng)中的開關(guān)電源特性分析
有許多局用通信系統(tǒng)采用插卡式結(jié)構(gòu)，通常可插入多種功能板卡和開關(guān)電源板卡。例如，某光傳輸設(shè)備中，采用兩塊開關(guān)電源板卡(冗余備份)，供電電壓為DC48V，電源板卡的輸出為DC5V，額定輸出功率150W；另外可插最多13塊不同功能的用戶板(或稱之為負(fù)荷模塊)，各功能板負(fù)荷的功率范圍為2~10W。該系統(tǒng)的供電框圖如圖1所示。

圖1中的K1~Kn，合上與否表示相應(yīng)負(fù)荷模塊的投運情況。在實際運行中，當(dāng)負(fù)荷很輕時(即只插1~2塊用戶板時)或負(fù)荷模塊投運、撤運(新的用戶板投運或因某種原因需要拔出用戶板)時，DC／DC開關(guān)電源的輸出Uo易產(chǎn)生衰減式振蕩，有些開關(guān)電源在負(fù)荷很輕(額定功率的10％)時還會產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩，進(jìn)而使得相關(guān)掛接的通信模塊產(chǎn)生誤碼甚至癱瘓。
為揭示產(chǎn)生上述問題的內(nèi)在因素，可將圖1供電系統(tǒng)中的開關(guān)電源與負(fù)荷視為一個整體電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了便于說明問題，不妨將圖1中各模塊消耗功率的情況用電阻RL1~RLn來表征。圖中的L、C分別為輸出濾波級的電感器與電容器，而r為電容器內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻ESR。從圖2可直觀地看到圖1中各負(fù)荷模塊與開關(guān)電源的內(nèi)在關(guān)系。

1)各負(fù)荷電阻RL1~RLn是電源輸出級電路元件參數(shù)的有機(jī)組成部分，在R、L、C暫態(tài)電路中，R兼有阻尼作用。因此而知，開關(guān)電源的動態(tài)特性與負(fù)荷輕重密切相關(guān)。
2)在開關(guān)電源的動態(tài)特性滿足要求時，由于負(fù)荷變化(Io變化)所產(chǎn)生的開關(guān)電源內(nèi)部的隔離變壓器及輸出級電路壓降變化而引起的輸出電路Uo變化，則可由無靜差反饋調(diào)節(jié)策略來保證穩(wěn)壓精度。
3)開關(guān)電源輸出電壓中所含的紋波成分是開關(guān)電源的另一個固有缺點。削弱其份量的主要措施是在一定的功率規(guī)格下，L、C與調(diào)制頻率f的合理選擇，尤其是要選ESR極小的電容器。

2 通信系統(tǒng)中開關(guān)電源的抗負(fù)荷擾動設(shè)計
2．1 開關(guān)電源抗負(fù)荷擾動的本質(zhì)問題
在研究動態(tài)特性時，先忽略圖2中r的影響(一般有），此時其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型框圖如圖3所示。

由式(3)可知
1)開關(guān)電源對象主導(dǎo)模型為二階振蕩環(huán)節(jié)，對于特定的常規(guī)開關(guān)電源產(chǎn)品而言，L、C是一定的，則負(fù)荷變化時(Io化，即RL變化)，必引起o的大范圍變化。也就是說負(fù)荷擾動的本質(zhì)是引起系統(tǒng)對象參數(shù)的大范圍攝動。
2)負(fù)荷越輕，即Io越小、RL越大，o就越小、系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，在本文的仿真實例中，當(dāng)負(fù)荷在2％~100％范圍變化時，則o∈[0．005，O．245]，其隨負(fù)荷的變化量高達(dá)49倍，這也是一般開關(guān)電源輕載性能差的原因所在。
3)對于特定的開關(guān)電源產(chǎn)品，其內(nèi)部的調(diào)節(jié)器規(guī)律一般均為固定參數(shù)的P1調(diào)節(jié)律，而開關(guān)電源的負(fù)荷又往往大范圍變化，即系統(tǒng)對象參數(shù)大范圍變化，而固定參數(shù)的常規(guī)PI調(diào)節(jié)律難以適應(yīng)負(fù)荷大范圍變化場合的動態(tài)性能要求。
2．2 強抗擾電源的動態(tài)校正方法及實現(xiàn)
為克服常規(guī)Pl調(diào)節(jié)律存在的上述缺點，可采取如圖4所示的、成本低且易于實施的“PI+D先行”的調(diào)節(jié)律，以提高穩(wěn)壓系統(tǒng)的魯棒性。圖4中的To為高頻濾波的時間常數(shù)；Kv、Ti、Td分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分技涑Ｊ和微分時間常數(shù)；Ks、Ts分別為PWM驅(qū)動環(huán)節(jié)的比例系數(shù)與時間常數(shù)；主電路模型環(huán)節(jié)中的各參數(shù)與圖2對應(yīng)。

在圖4中，Ts、rC、To均為小時間常數(shù)，在先不計To的影響，并適當(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，使Ts≈rC(4)
則

由式(6)可知，當(dāng)適量選擇微分時間常數(shù)Td，可使輕載時由o′起主導(dǎo)作用，使調(diào)節(jié)器外的“對象環(huán)節(jié)”仍有足夠的阻尼比，并使?jié)M載時(RL→RLmin)，o′在中仍占相當(dāng)分量，即使負(fù)荷大范圍變化時，的變化范圍仍不大(在本文的仿真實例中，ξo′=0.531，所以ξ∈[0.536，0.776]，其隨2％~100％負(fù)荷率的大范圍變化而引起的ξ變化僅為1.45倍)，以提高系統(tǒng)的魯棒性，解決輕載穩(wěn)定性與滿載快速性問題。建議Td的選擇原則為：在最輕載時(RL→RLmin)，滿足ξmin≥0．5。即

Kn、T1的整定原則為：使“對象環(huán)節(jié)”在最大滯后相角條件下的系統(tǒng)相角裕量γ不小于60。由于濾波時間常數(shù)To很小，故在參數(shù)估算中可先不計及，得

式中的f為開關(guān)電源的調(diào)制頻率(Hz)，式(9)中的剪切頻率ωc的汁算如下，由式(5)及圖4(不計To)得系統(tǒng)相角裕量γ的汁算公式為

由式（13）可求得（ωc/ωn），并進(jìn)而求得KP。

圖4所示的開關(guān)電源中的調(diào)節(jié)器可用簡單的運放電路來實現(xiàn)，如圖5所示(圖5中的Uref*與Uf的極性相反)。當(dāng)R1》RP1+R2時，電路元件參數(shù)與調(diào)節(jié)器參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為

2.3一個實例的仿真研究
某開關(guān)電源輸出電壓為+5V，額定功率為150W，實際負(fù)荷率范圍為5%~100%，已知L=47μH，C=6800μF/10V，r=6mΩ，f=25kHz，

對圖4所示強魯棒型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，經(jīng)計算得T4=0.6ms，Ti=0.9ms,KP=0.8。
對圖3所示常規(guī)PI調(diào)節(jié)型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，經(jīng)計算得Ti=2ms，KP=O.1。
圖3及圖4兩種方案分別在負(fù)荷率為10％、100％和2％、100％時的仿真結(jié)果(已考慮實際的限幅特性)分別如圖6及圖7所示。
圖6及圖7兩種方案的仿真結(jié)果表明，常規(guī)PI調(diào)節(jié)方案的開關(guān)電源動態(tài)過渡過程時間長，輕載穩(wěn)定性差，在本例中，當(dāng)負(fù)荷為10％時，常規(guī)PI調(diào)節(jié)方案的廾關(guān)電源已處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，這也是目前普通開關(guān)電源產(chǎn)品一般要求負(fù)載率為10％以上的原因所在(或已在電源內(nèi)部加了小負(fù)載，即并接了電阻)；強魯棒方案的開關(guān)電源過渡過程時間短，比常規(guī)方案的動態(tài)時間縮短了近一個數(shù)量
級，且當(dāng)負(fù)荷小至2％以下時，仍有良好的動態(tài)特性，同時也間接提高了開關(guān)電源的效率。

3 結(jié)語
為克服通信設(shè)備巾開關(guān)電源的負(fù)荷大范圍擾動引起的電源性能惡化與輕載穩(wěn)定性的問題，本文提出的方法具有實現(xiàn)簡單、成本低、效果明顯、可靠性高的特點，局用通信系統(tǒng)采用該方法設(shè)計的廾關(guān)電源后，消除了電源引起的誤碼與故障。而且，該方法也可容易地推廣應(yīng)用到通用型的各種直流開關(guān)電源的產(chǎn)品設(shè)計中。