1、局用通信設備中開關電源動態(tài)性能的改善方法，穩(wěn)定性，抗干擾，通信設備，電源管理    引言開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)參數(shù)的攝動使輸出電壓值動態(tài)變化大、恢復時間長，不僅影響穩(wěn)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(chǎn)生穩(wěn)定性問題。目前，針對上述問引言開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)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

2、器、裝置及系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)參數(shù)的攝動使輸出電壓值動態(tài)變化大、恢復時間長，不僅影響穩(wěn)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(chǎn)生穩(wěn)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(tǒng)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(diào)試過程，并使之具有良好的動、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(tǒng)中的開關電源特

3、性分析有許多局用通信系統(tǒng)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210W。該系統(tǒng)的供電框圖如圖1所示。圖1中的K1Kn，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12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，DCDC開關電源的輸出Uo易產(chǎn)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

4、產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩，進而使得相關掛接的通信模塊產(chǎn)生誤碼甚至癱瘓。為揭示產(chǎn)生上述問題的內(nèi)在因素，可將圖1供電系統(tǒng)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RL1RLn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(nèi)部的等效串聯(lián)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(nèi)在關系。1)各負荷電阻RL1RLn是電源輸出級電路元件參數(shù)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，開關電源的動態(tài)特性與負荷輕重密切相關。2)在開關電源的動態(tài)特性滿足要求時，由于負荷變化(Io變化)所產(chǎn)生

5、的開關電源內(nèi)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(diào)節(jié)策略來保證穩(wěn)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(guī)格下，L、C與調(diào)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(tǒng)中開關電源的抗負荷擾動設計21 開關電源抗負荷擾動的本質(zhì)問題在研究動態(tài)特性時，先忽略圖2中r的影響(一般有 ），此時其對應的數(shù)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(huán)節(jié)，對于特定的常規(guī)開關電源產(chǎn)品而言，L、C是一定的，則負荷變化時(Io化，即RL變化)，必引起&

6、o的大范圍變化。也就是說負荷擾動的本質(zhì)是引起系統(tǒng)對象參數(shù)的大范圍攝動。2)負荷越輕，即Io越小、RL越大，&o就越小、系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，在本文的仿真實例中，當負荷在2100范圍變化時，則&o0005，O245，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(chǎn)品，其內(nèi)部的調(diào)節(jié)器規(guī)律一般均為固定參數(shù)的P1調(diào)節(jié)律，而開關電源的負荷又往往大范圍變化，即系統(tǒng)對象參數(shù)大范圍變化，而固定參數(shù)的常規(guī)PI調(diào)節(jié)律難以適應負荷大范圍變化場合的動態(tài)性能要求。22 強抗擾電源的動態(tài)校正方法及實現(xiàn)為克服常規(guī)Pl調(diào)節(jié)律存在的上述缺點，可采取如圖4所示的、成本低且易

7、于實施的“PI+D先行”的調(diào)節(jié)律，以提高穩(wěn)壓系統(tǒng)的魯棒性。圖4中的To為高頻濾波的時間常數(shù)；Kv、Ti、Td分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分吋間常數(shù)和微分時間常數(shù)；Ks、Ts分別為PWM驅動環(huán)節(jié)的比例系數(shù)與時間常數(shù)；主電路模型環(huán)節(jié)中的各參數(shù)與圖2對應。在圖4中，Ts、rC、To均為小時間常數(shù)，在先不計To的影響，并適當調(diào)整有關參數(shù)，使TsrC(4)則由式(6)可知，當適量選擇微分時間常數(shù)Td，可使輕載時由&o起主導作用，使調(diào)節(jié)器外的“對象環(huán)節(jié)”仍有足夠的阻尼比，并使?jié)M載時(RLRLmin)，&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

8、真實例中，o=0.531，所以0.536，0.776，其隨2100負荷率的大范圍變化而引起的變化僅為1.45倍)，以提高系統(tǒng)的魯棒性，解決輕載穩(wěn)定性與滿載快速性問題。建議Td的選擇原則為：在最輕載時(RLRLmin)，滿足min05。即Kn、T1的整定原則為：使“對象環(huán)節(jié)”在最大滯后相角條件下的系統(tǒng)相角裕量不小于60°。由于濾波時間常數(shù)To很小，故在參數(shù)估算中可先不計及，得式中的f為開關電源的調(diào)制頻率(Hz)，式(9)中的剪切頻率c的汁算如下，由式(5)及圖4(不計To)得系統(tǒng)相角裕量的汁算公式為由式（13）可求得（c/n），并進而求得KP。圖4所示的開關電源中的調(diào)節(jié)器可用簡單的運放

9、電路來實現(xiàn)，如圖5所示(圖5中的Uref*與Uf的極性相反)。當R1RP1+R2時，電路元件參數(shù)與調(diào)節(jié)器參數(shù)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=47H，C=6800F/10V，r=6m，f=25kHz，對圖4所示強魯棒型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，經(jīng)計算得T4=0.6ms，Ti=0.9ms,KP=0.8。對圖3所示常規(guī)PI調(diào)節(jié)型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，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(guī)PI調(diào)節(jié)方案的開關電源動態(tài)過渡過程時間長，輕載穩(wěn)定性差，在本例中，當負荷為10時，常規(guī)PI調(diào)節(jié)方案的廾關電源已處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，這也是目前普通開關電源產(chǎn)品一般要求負載率為10以上的原因所在(或已在電源內(nèi)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(guī)方案的動態(tài)時間縮短了近一個數(shù)量級，且當負荷小至2以下時，仍有良好的動態(tài)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