局用通信设备中开关电源动态性能的改善方法

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，进而影响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原因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，具性能直接影响着用电仪器、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、恢复时间长，不仅影响稳压性能，严重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影响尚无系统化的解决方案。本文主要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用插卡式结构，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，采用两块开关电源板卡(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，当负荷很轻时(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原因需要拔出用户板)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很轻( 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密切相关。 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)所产生的开关电

4、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。削弱其份量的主要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极小的电容器。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的影响(一般有），此时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，对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。也

5、就是说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原因所在。 3)对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”的调

6、节律，以提高稳压系统的鲁棒性。图4中的to为高频滤波的时间常数；kv、ti、td分别为调节器的比例系数、积分吋间常数和微分时间常数；ks、ts分别为pwm驱动环节的比例系数与时间常数；主电路模型环节中的各参数与图2对应。 在图4中，ts、rc、to均为小时间常数，在先不计to的影响，并适当调整有关参数，使tsrc(4)则 由式(6)可知，当适量选择微分时间常数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&中仍占相当分量，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，所以0.536，0.776，其

7、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。由于滤波时间常数to很小，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的极性相反)

8、。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4两种方案分别在负荷率为10、100和2、100时的仿真结果(已考虑实际的限幅特性)分别如图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间长，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，这也是目前普通开关电源产品一般要求负载率为10以上的原因所在(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间短，比常规方案的动态时间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 为克服通