局用通信設備中開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)性能的改善方法

0 引言
開(kāi)關(guān)穩壓電源的優(yōu)點(diǎn)及其擁有的廣泛用途是眾所周知的，具性能直接影響著(zhù)用電儀器、裝置及系統的運行性能及安全性。大功率開(kāi)關(guān)電源的應用特點(diǎn)是其輸出端并接的負載數量多。對開(kāi)關(guān)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(dòng)范圍大，而這種擾動(dòng)直接引起系統參數的攝動(dòng)使輸出電壓值動(dòng)態(tài)變化大、恢復時(shí)間長(cháng)，不僅影響穩壓性能，嚴重時(shí)將危及通信設備的正常運行，尤其在輕載時(shí)將產(chǎn)生穩定性問(wèn)題。目前，針對上述問(wèn)題的開(kāi)關(guān)電源設計中含有較強的實(shí)驗整定性，但對負載頻繁擾動(dòng)的影響尚無(wú)系統化的解決方案。本文主要針對上述問(wèn)題展開(kāi)研究，期望提出一種易于實(shí)施的工程設計方法，以簡(jiǎn)化、縮短開(kāi)關(guān)電源的設計及調試過(guò)程，并使之具有良好的動(dòng)、靜態(tài)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(kāi)關(guān)電源特性分析
有許多局用通信系統采用插卡式結構，通?？刹迦攵喾N功能板卡和開(kāi)關(guān)電源板卡。例如，某光傳輸設備中，采用兩塊開(kāi)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(hù)板(或稱(chēng)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(shí)際運行中，當負荷很輕時(shí)(即只插1~2塊用戶(hù)板時(shí))或負荷模塊投運、撤運(新的用戶(hù)板投運或因某種原因需要拔出用戶(hù)板)時(shí)，DC／DC開(kāi)關(guān)電源的輸出Uo易產(chǎn)生衰減式振蕩，有些開(kāi)關(guān)電源在負荷很輕(額定功率的10％)時(shí)還會(huì )產(chǎn)生不穩定振蕩，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(wèn)題的內在因素，可將圖1供電系統中的開(kāi)關(guān)電源與負荷視為一個(gè)整體電路，其基本結構如圖2所示。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，不妨將圖1中各模塊消耗功率的情況用電阻RL1~RLn來(lái)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(lián)電阻ESR。從圖2可直觀(guān)地看到圖1中各負荷模塊與開(kāi)關(guān)電源的內在關(guān)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(tài)電路中，R兼有阻尼作用。因此而知，開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性與負荷輕重密切相關(guān)。
2)在開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性滿(mǎn)足要求時(shí)，由于負荷變化(Io變化)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)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(wú)靜差反饋調節策略來(lái)保證穩壓精度。
3)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓中所含的紋波成分是開(kāi)關(guān)電源的另一個(gè)固有缺點(diǎn)。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(kāi)關(guān)電源的抗負荷擾動(dòng)設計
2．1 開(kāi)關(guān)電源抗負荷擾動(dòng)的本質(zhì)問(wèn)題
在研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)，先忽略圖2中r的影響(一般有），此時(shí)其對應的數學(xué)模型框圖如圖3所示。

由式(3)可知
1)開(kāi)關(guān)電源對象主導模型為二階振蕩環(huán)節，對于特定的常規開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品而言，L、C是一定的，則負荷變化時(shí)(Io化，即RL變化)，必引起o的大范圍變化。也就是說(shuō)負荷擾動(dòng)的本質(zhì)是引起系統對象參數的大范圍攝動(dòng)。
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(shí)例中，當負荷在2％~100％范圍變化時(shí)，則o∈[0．005，O．245]，其隨負荷的變化量高達49倍，這也是一般開(kāi)關(guān)電源輕載性能差的原因所在。
3)對于特定的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)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(kāi)關(guān)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(chǎng)合的動(dòng)態(tài)性能要求。
2．2 強抗擾電源的動(dòng)態(tài)校正方法及實(shí)現
為克服常規Pl調節律存在的上述缺點(diǎn)，可采取如圖4所示的、成本低且易于實(shí)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(shí)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(shí)間常數；Ks、Ts分別為PWM驅動(dòng)環(huán)節的比例系數與時(shí)間常數；主電路模型環(huán)節中的各參數與圖2對應。

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

由式(6)可知，當適量選擇微分時(shí)間常數Td，可使輕載時(shí)由o′起主導作用，使調節器外的“對象環(huán)節”仍有足夠的阻尼比，并使滿(mǎn)載時(shí)(RL→RLmin)，o′在中仍占相當分量，即使負荷大范圍變化時(shí)，的變化范圍仍不大(在本文的仿真實(shí)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(mǎn)載快速性問(wèn)題。建議Td的選擇原則為：在最輕載時(shí)(RL→RLmin)，滿(mǎn)足ξmin≥0．5。即

Kn、T1的整定原則為：使“對象環(huán)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(shí)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(kāi)關(guān)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(jìn)而求得KP。

圖4所示的開(kāi)關(guān)電源中的調節器可用簡(jiǎn)單的運放電路來(lái)實(shí)現，如圖5所示(圖5中的Uref*與Uf的極性相反)。當R1》RP1+R2時(shí)，電路元件參數與調節器參數的對應關(guān)系為

2.3一個(gè)實(shí)例的仿真研究
某開(kāi)關(guān)電源輸出電壓為+5V，額定功率為150W，實(shí)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(jīng)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(jīng)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(shí)的仿真結果(已考慮實(shí)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(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(cháng)，輕載穩定性差，在本例中，當負荷為10％時(shí)，常規PI調節方案的廾關(guān)電源已處于臨界穩定狀態(tài)，這也是目前普通開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)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(kāi)關(guān)電源過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，比常規方案的動(dòng)態(tài)時(shí)間縮短了近一個(gè)數量
級，且當負荷小至2％以下時(shí)，仍有良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)也間接提高了開(kāi)關(guān)電源的效率。

3 結語(yǔ)
為克服通信設備巾開(kāi)關(guān)電源的負荷大范圍擾動(dòng)引起的電源性能惡化與輕載穩定性的問(wèn)題，本文提出的方法具有實(shí)現簡(jiǎn)單、成本低、效果明顯、可靠性高的特點(diǎn)，局用通信系統采用該方法設計的廾關(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用到通用型的各種直流開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品設計中。