局用通信設備中開關電源動態性能的改善方法

0 引言
開關穩壓電源的優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、裝置及系統的運行性能及安全性。大功率開關電源的應用特點是其輸出端并接的負載數量多。對開關電源而言，各負載的投運、撤運具有一定的“隨機性”，即負載擾動范圍大，而這種擾動直接引起系統參數的攝動使輸出電壓值動態變化大、恢復時間長，不僅影響穩壓性能，嚴重時將危及通信設備的正常運行，尤其在輕載時將產生穩定性問題。目前，針對上述問題的開關電源設計中含有較強的實驗整定性，但對負載頻繁擾動的影響尚無系統化的解決方案。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計方法，以簡化、縮短開關電源的設計及調試過程，并使之具有良好的動、靜態性能，以提高局端通信設備的可靠性。

1 局用通信系統中的開關電源特性分析
有許多局用通信系統采用插卡式結構，通常可插入多種功能板卡和開關電源板卡。例如，某光傳輸設備中，采用兩塊開關電源板卡(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(或稱之為負荷模塊)，各功能板負荷的功率范圍為2~10W。該系統的供電框圖如圖1所示。

圖1中的K1~Kn，合上與否表示相應負荷模塊的投運情況。在實際運行中，當負荷很輕時(即只插1~2塊用戶板時)或負荷模塊投運、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開關電源的輸出Uo易產生衰減式振蕩，有些開關電源在負荷很輕(額定功率的10％)時還會產生不穩定振蕩，進而使得相關掛接的通信模塊產生誤碼甚至癱瘓。
為揭示產生上述問題的內在因素，可將圖1供電系統中的開關電源與負荷視為一個整體電路，其基本結構如圖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為電容器內部的等效串聯電阻ESR。從圖2可直觀地看到圖1中各負荷模塊與開關電源的內在關系。

1)各負荷電阻RL1~RLn是電源輸出級電路元件參數的有機組成部分，在R、L、C暫態電路中，R兼有阻尼作用。因此而知，開關電源的動態特性與負荷輕重密切相關。
2)在開關電源的動態特性滿足要求時，由于負荷變化(Io變化)所產生的開關電源內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節策略來保證穩壓精度。
3)開關電源輸出電壓中所含的紋波成分是開關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格下，L、C與調制頻率f的合理選擇，尤其是要選ESR極小的電容器。

2 通信系統中開關電源的抗負荷擾動設計
2．1 開關電源抗負荷擾動的本質問題
在研究動態特性時，先忽略圖2中r的影響(一般有），此時其對應的數學模型框圖如圖3所示。

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

在圖4中，Ts、rC、To均為小時間常數，在先不計To的影響，并適當調整有關參數，使Ts≈rC(4)
則

由式(6)可知，當適量選擇微分時間常數Td，可使輕載時由o′起主導作用，使調節器外的“對象環節”仍有足夠的阻尼比，并使滿載時(RL→RLmin)，o′在中仍占相當分量，即使負荷大范圍變化時，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)，以提高系統的魯棒性，解決輕載穩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“對象環節”在最大滯后相角條件下的系統相角裕量γ不小于60。由于濾波時間常數To很小，故在參數估算中可先不計及，得

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

由式（13）可求得（ωc/ωn），并進而求得KP。

圖4所示的開關電源中的調節器可用簡單的運放電路來實現，如圖5所示(圖5中的Uref*與Uf的極性相反)。當R1》RP1+R2時，電路元件參數與調節器參數的對應關系為

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

對圖4所示強魯棒型系統的調節器參數，經計算得T4=0.6ms，Ti=0.9ms,KP=0.8。
對圖3所示常規PI調節型系統的調節器參數，經計算得Ti=2ms，KP=O.1。
圖3及圖4兩種方案分別在負荷率為10％、100％和2％、100％時的仿真結果(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果表明，常規PI調節方案的開關電源動態過渡過程時間長，輕載穩定性差，在本例中，當負荷為10％時，常規PI調節方案的廾關電源已處于臨界穩定狀態，這也是目前普通開關電源產品一般要求負載率為10％以上的原因所在(或已在電源內部加了小負載，即并接了電阻)；強魯棒方案的開關電源過渡過程時間短，比常規方案的動態時間縮短了近一個數量
級，且當負荷小至2％以下時，仍有良好的動態特性，同時也間接提高了開關電源的效率。

3 結語
為克服通信設備巾開關電源的負荷大范圍擾動引起的電源性能惡化與輕載穩定性的問題，本文提出的方法具有實現簡單、成本低、效果明顯、可靠性高的特點，局用通信系統采用該方法設計的廾關電源后，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用到通用型的各種直流開關電源的產品設計中。