基于脈沖負載的中小功率開關電源研究
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響應。動態響應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響應速度， 對于突變的負載， 電源系統不能及時響應輸出的變化， 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析， 對傳統的開關電源拓撲結構進行分析、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。濾波電容包含等效電阻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0 A開始， 在T r 時間內， 上升到固定輸出電流I out 。通常， T r 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T r 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T r 時間段內， 負載電容上的電壓跌落應該是電容和等效電阻、等效電感三者共同作用的結果。由電荷相等公式（ 1） , 可得電容產生的跌落電壓（ （ 2） 式） :
式中，
表示在電流上升過程中三角形的面積。
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( 發表人：大本 )