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文档简介
1、局用通信设备中开关电源动态性能的改善方法摘 要:针对局端通信设备中开关电源的负荷变化范围大,在加载、卸载时给开关电源装置造成强扰动,进而阻碍电源的稳压性能等问题,对开关电源的固有特性建立了数学模型。在对产生上述问题的缘故进行深入分析的基础上,提出了改善开关电源性能的可行方法。关键词:开关电源;稳定性:抗干扰;通信设备 0 引言 开关稳压电源的优点及其拥有的广泛用途是众所周知的,具性能直接阻碍着用电仪器、装置及系统的运行性能及安全性。大功率开关电源的应用特点是其输出端并接的负载数量多。对开关电源而言,各负载的投运、撤运具有一定的“随机性”,即负载扰动范围大,而这种扰动直接引起系统参数的摄动使输出
2、电压值动态变化大、恢复时刻长,不仅阻碍稳压性能,严峻时将危及通信设备的正常运行,尤其在轻载时将产生稳定性问题。目前,针对上述问题的开关电源设计中含有较强的实验整定性,但对负载频繁扰动的阻碍尚无系统化的解决方案。本文要紧针对上述问题展开研究,期望提出一种易于实施的工程设计方法,以简化、缩短开关电源的设计及调试过程,并使之具有良好的动、静态性能,以提高局端通信设备的可靠性。1 局用通信系统中的开关电源特性分析 有许多局用通信系统采纳插卡式结构,通常可插入多种功能板卡和开关电源板卡。例如,某光传输设备中,采纳两块开关电源板卡(冗余备份),供电电压为DC48V,电源板卡的输出为DC5V,额定输出功率1
3、50W;另外可插最多13块不同功能的用户板(或称之为负荷模块),各功能板负荷的功率范围为210W。该系统的供电框图如图1所示。 图1中的K1Kn,合上与否表示相应负荷模块的投运情况。在实际运行中,当负荷专门轻时(即只插12块用户板时)或负荷模块投运、撤运(新的用户板投运或因某种缘故需要拔出用户板)时,DCDC开关电源的输出Uo易产生衰减式振荡,有些开关电源在负荷专门轻( 1)各负荷电阻RL1RLn是电源输出级电路元件参数的有机组成部分,在R、L、C暂态电路中,R兼有阻尼作用。因此而知,开关电源的动态特性与负荷轻重紧密相关。 2)在开关电源的动态特性满足要求时,由于负荷变化(Io变化)所产生的开
4、关电源内部的隔离变压器及输出级电路压降变化而引起的输出电路Uo变化,则可由无静差反馈调节策略来保证稳压精度。 3)开关电源输出电压中所含的纹波成分是开关电源的另一个固有缺点。削弱其份量的要紧措施是在一定的功率规格下,L、C与调制频率f的合理选择,尤其是要选ESR微小的电容器。2 通信系统中开关电源的抗负荷扰动设计21 开关电源抗负荷扰动的本质问题 在研究动态特性时,先忽略图2中r的阻碍(一般有),现在其对应的数学模型框图如图3所示。 由式(3)可知 1)开关电源对象主导模型为二阶振荡环节,关于特定的常规开关电源产品而言,L、C是一定的,则负荷变化时(Io化,即RL变化),必引起&o的大范围变化
5、。也确实是讲负荷扰动的本质是引起系统对象参数的大范围摄动。 2)负荷越轻,即Io越小、RL越大,&o就越小、系统的稳定性越差,在本文的仿真实例中,当负荷在2100范围变化时,则&o0005,O245,其随负荷的变化量高达49倍,这也是一般开关电源轻载性能差的缘故所在。 3)关于特定的开关电源产品,其内部的调节器规律一般均为固定参数的P1调节律,而开关电源的负荷又往往大范围变化,即系统对象参数大范围变化,而固定参数的常规PI调节律难以适应负荷大范围变化场合的动态性能要求。22 强抗扰电源的动态校正方法及实现 为克服常规Pl调节律存在的上述缺点,可采取如图4所示的、成本低且易于实施的“PI+D先行
6、”的调节律,以提高稳压系统的鲁棒性。图4中的To为高频滤波的时刻常数;Kv、Ti、Td分不为调节器的比例系数、积分吋间常数和微分时刻常数;Ks、Ts分不为PWM驱动环节的比例系数与时刻常数;主电路模型环节中的各参数与图2对应。 在图4中,Ts、rC、To均为小时刻常数,在先不计To的阻碍,并适当调整有关参数,使TsrC(4)则 由式(6)可知,当适量选择微分时刻常数Td,可使轻载时由&o起主导作用,使调节器外的“对象环节”仍有足够的阻尼比,并使满载时(RLRLmin),&o在&中仍占相当重量,即使负荷大范围变化时,&的变化范围仍不大(在本文的仿真实例中,o=0.531,因此0.536,0.77
7、6,其随2100负荷率的大范围变化而引起的变化仅为1.45倍),以提高系统的鲁棒性,解决轻载稳定性与满载快速性问题。建议Td的选择原则为:在最轻载时(RLRLmin),满足min05。即 Kn、T1的整定原则为:使“对象环节”在最大滞后相角条件下的系统相角裕量不小于60。由于滤波时刻常数To专门小,故在参数估算中可先不计及,得 式中的f为开关电源的调制频率(Hz),式(9)中的剪切频率c的汁算如下,由式(5)及图4(不计To)得系统相角裕量的汁算公式为 由式(13)可求得(c/n),并进而求得KP。 图4所示的开关电源中的调节器可用简单的运放电路来实现,如图5所示(图5中的Uref*与Uf的极
8、性相反)。当R1RP1+R2时,电路元件参数与调节器参数的对应关系为 2.3一个实例的仿真研究 某开关电源输出电压为+5V,额定功率为150W,实际负荷率范围为5%100%,已知L=47H,C=6800F/10V,r=6m,f=25kHz, 对图4所示强鲁棒型系统的调节器参数,经计算得T4=0.6ms,Ti=0.9ms,KP=0.8。 对图3所示常规PI调节型系统的调节器参数,经计算得Ti=2ms,KP=O.1。 图3及图4两种方案分不在负荷率为10、100和2、100时的仿真结果(已考虑实际的限幅特性)分不如图6及图7所示。图6及图7两种方案的仿真结果表明,常规PI调节方案的开关电源动态过渡过程时刻长,轻载稳定性差,在本例中,当负荷为10时,常规PI调节方案的廾关电源已处于临界稳定状态,这也是目前一般开关电源产品一般要求负载率为10以上的缘故所在(或已在电源内部加了小负载,即并接了电阻);强鲁棒方案的开关电源过渡过程时刻短,比常规方案的动态时刻缩短了近一个数量级,且当负荷小至2以下时,仍有良好的动态特性,同时也间接提高了开关电源的效率。3 结语 为克服
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