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输出脉冲电压跌落系数设计

文章出处:未知 人气:发表时间:2019-07-08

在某发射机中,为了降低整机功耗,对某间歇工作的单元电路采取脉冲制式供电方式。本文研制的电源模块,可通过外部控制信号,快速的开启和关断,为负载提供15V电压,1A电流的供电脉冲。

  一般开关电源启动延迟时间为ms级,直接控制电源的On/Off端无法输出上下沿为ns级的输出脉冲。本文介绍了一种输出级调制方式,满足了输出脉冲建立时间及关闭时间为ns级的要求,输出功率达15W,调制频率从200Hz~50kHz,脉冲电压跌落幅度小于0.5 %的要求。

  本文着重分析了影响脉冲电源主要参数的因素及解决方法,最后给出采用厚膜混合集成技术制作的28V输入,15V/15W输出可程控调制脉冲电源模块的实测参数。

  1 脉冲电源参数要求

  本文介绍的脉冲电源,要求达到下面主要设计指标:

  输入标称电压Vin: 28V

  输入电压范围Vin: 16V~40V

  高电平输出电压VOH: 15V±1%

  高电平输出电流IOH: 1A

  调制频率fs: 100Hz~50kHz

  占空比D: 30%

  脉冲跌落幅度SVO: ≤75mV

  导通延迟时间tf: ≤1μs

  关断延迟时间tl: ≤1μs

  2 电源整体方案

  一般开关电源启动延迟时间为ms级,所以直接控制电源的On/Off端无法实现ns级上升沿的脉冲输出。为满足设计指标要求,采取开关电源及次级调制方式,原理框图见图1。

  从框图1可以看出,电源采用常用的单端正激拓扑结构。单端正激开关电源为采用中小功率开关电源电路,其设计方法已经成熟,这里不再赘述。

  开关电源启动后始终处于工作状态,输出脉冲由输出调制电路控制MOS管Q2的导通和关断来实现。由于调制和MOS管驱动总延迟时间可以设计在ns级,所以可以满足脉冲的导通及关断时间小于1μs。

  3 输出脉冲电压跌落系数设计

  理想的脉冲电源,在满负载情况下,脉冲输出时应该迅速达到要求输出电压。然而,脉冲输出对电源来说相当快速的进行空载——满载——空载——满载切换。由于几乎所有开关电源都有一个特性:即空载——满载切换时,输出电压会跌落一定幅度再恢复到额定电压;而满载——空载切换时,输出电压会上冲一定幅度再恢复到额定电压,这是因为开关电源输出电压的稳定,是靠输出电压变化采样——误差比较放大——脉宽调制——稳定输出电压来完成的。整个过程需要的时间是造成负载瞬变特性的原因。该特性用负载瞬变输出电压变化量(VLT)和负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)来表示。一般来说,负载瞬变输出电压变化量(VLT)在输出电压的5%~8%之间,负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)小于100μs已经是性能不错的开关电源了。

  开关电源负载瞬变特性的存在,对于脉冲输出来说,却是一个不可忽视的重要指标。

  图2反映了电源负载瞬变特性对脉冲输出的影响。由于电源负载瞬变特性的存在,在脉冲输出时,由于-VLT的存在,会导致VPo不能及时上升到标称输出电压幅度。该输出电压与标称输出电压之差定义为脉冲电压幅度SVO。工程设计中如何计算选择器件参数使之满足设计指标要求,是本文探讨的主要内容。

  降低脉冲电压跌落幅度SVO的最有效途径,是改善开关电源的负载瞬变特性,使之负载瞬变输出电压变化量(VLT)尽量的小,负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)尽量的短。但是,前面讲过,电源的负载瞬变特性是整个闭环调整过程所需要的时间,是必然存在的。而且电源设计师在设计电源时,总要综合考虑所有参数,特别是环路稳定性。所以,负载瞬变输出电压变化量(VLT)不可能无限的小,负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)不可能无限的短。对于脉冲输出幅度的快速建立,该特性的影响始终不可忽视。

 

  分析图1,不难发现,电容C2是一个改善脉冲电压跌落幅度SVO的关键器件。假设Q2导通之前,开关电源已经工作,C2已经充电至输出直流电压VDo。那么在Q2开启,VDo出现跌落-VLT期间,输出脉冲VPo上升沿的快速建立,将由C2对负载放电(图3)来实现。这样,问题就转化为C2电容量与脉冲电压跌落幅度SVO的关系。建立这两者的量值关系,计算选择C2容量,是降低脉冲电压跌落幅度SVO的另一个有效途径。

  假设在Q2开启瞬间,电源负载瞬变时输出电压的恢复时间tLT内,VPo的电压幅度完全由电容C2在RL上放电建立。那么则要求电容C2上的电压Vc在Q2开启时刻t0开始放电至tLT时刻仍然维持在VP1(忽略Vds)。

  初始电压为VC0的电容C2通过Q2向RL放电,任意时刻电容上的电压为

  结合本例要求,即是tLT时刻,电容C2上的电压为VP1。代入上式为

  上式除了C2,其它参数都已知。所以

  根据本例参数要求,而且开关电源的负载瞬变时输出电压的恢复时间tLT设计为80μs,则

  取1000μF。

  4 实际测试参数

  根据上述分析设计的脉冲电源,所有参数均满足设计要求。实测各种频率下的输出波形,其脉冲电压跌落幅度SVO都在设计要求范围内,有关数据如表1所示。

  5 结语

  本文给出了一种脉冲电源的电路方案,重点分析影响脉冲电源主要参数——输出脉冲电压跌落幅度SVO的因素及解决方法。实际产品测试参数验证了设计方法的正确性。

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