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1、局用通信信设备中中开关电电源动态态性能的的改善方方法摘 要：针对局局端通信信设备中中开关电电源的负负荷变化化范围大大，在加加载、卸卸载时给给开关电电源装置置造成强强扰动，进进而影响响电源的的稳压性性能等问问题，对对开关电电源的固固有特性性建立了了数学模模型。在在对产生生上述问问题的原原因进行行深入分分析的基基础上，提提出了改改善开关关电源性性能的可可行方法法。关键键词：开开关电源源；稳定定性：抗抗干扰；通信设设备 00 引言言 开关关稳压电电源的优优点及其其拥有的的广泛用用途是众众所周知知的，具具性能直直接影响响着用电电仪器、装装置及系系统的运运行性能能及安全全性。大大功率开开关电源源的应用用
2、特点是是其输出出端并接接的负载载数量多多。对开开关电源源而言，各各负载的的投运、撤撤运具有有一定的的“随机机性”，即即负载扰扰动范围围大，而而这种扰扰动直接接引起系系统参数数的摄动动使输出出电压值值动态变变化大、恢恢复时间间长，不不仅影响响稳压性性能，严严重时将将危及通通信设备备的正常常运行，尤尤其在轻轻载时将将产生稳稳定性问问题。目目前，针针对上述述问题的的开关电电源设计计中含有有较强的的实验整整定性，但但对负载载频繁扰扰动的影影响尚无无系统化化的解决决方案。本本文主要要针对上上述问题题展开研研究，期期望提出出一种易易于实施施的工程程设计方方法，以以简化、缩缩短开关关电源的的设计及及调试过过
3、程，并并使之具具有良好好的动、静静态性能能，以提提高局端端通信设设备的可可靠性。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150W；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
4、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
5、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，
6、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
7、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，
8、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)。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=0.6m
9、s，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 为克服通信设备巾开关电源的负荷大范围扰动引起的电源性能恶化与轻载稳定性的问题，本文提出的方法具有实现简单、成本低、效果明显、可靠性高的特点，局用通信系统采用该方法设计的廾关电源后，消除了电源引起的误码与故障。而且，该方法也可容易地推广应用到通用型的各种直流开关电源的产品设计中。
