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文檔簡介
15/16局用通信設(shè)備中開關(guān)電源動態(tài)性能的改善方法摘要:針對局端通信設(shè)備中開關(guān)電源的負(fù)荷變化范圍大,在加載、卸載時(shí)給開關(guān)電源裝置造成強(qiáng)擾動,進(jìn)而阻礙電源的穩(wěn)壓性能等問題,對開關(guān)電源的固有特性建立了數(shù)學(xué)模型。在對產(chǎn)生上述問題的緣故進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,提出了改善開關(guān)電源性能的可行方法。
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;穩(wěn)定性:抗干擾;通信設(shè)備
0引言
開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)及其擁有的廣泛用途是眾所周知的,具性能直接阻礙著用電儀器、裝置及系統(tǒng)的運(yùn)行性能及安全性。大功率開關(guān)電源的應(yīng)用特點(diǎn)是其輸出端并接的負(fù)載數(shù)量多。對開關(guān)電源而言,各負(fù)載的投運(yùn)、撤運(yùn)具有一定的“隨機(jī)性”,即負(fù)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(fù)時(shí)刻長,不僅阻礙穩(wěn)壓性能,嚴(yán)峻時(shí)將危及通信設(shè)備的正常運(yùn)行,尤其在輕載時(shí)將產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。目前,針對上述問題的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中含有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)整定性,但對負(fù)載頻繁擾動的阻礙尚無系統(tǒng)化的解決方案。本文要緊針對上述問題展開研究,期望提出一種易于實(shí)施的工程設(shè)計(jì)方法,以簡化、縮短開關(guān)電源的設(shè)計(jì)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(shè)備的可靠性。
1局用通信系統(tǒng)中的開關(guān)電源特性分析
有許多局用通信系統(tǒng)采納插卡式結(jié)構(gòu),通??刹迦攵喾N功能板卡和開關(guān)電源板卡。例如,某光傳輸設(shè)備中,采納兩塊開關(guān)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(fù)荷模塊),各功能板負(fù)荷的功率范圍為2~10W。該系統(tǒng)的供電框圖如圖1所示。
圖1中的K1~Kn,合上與否表示相應(yīng)負(fù)荷模塊的投運(yùn)情況。在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)負(fù)荷專門輕時(shí)(即只插1~2塊用戶板時(shí))或負(fù)荷模塊投運(yùn)、撤運(yùn)(新的用戶板投運(yùn)或因某種緣故需要拔出用戶板)時(shí),DC/DC開關(guān)電源的輸出Uo易產(chǎn)生衰減式振蕩,有些開關(guān)電源在負(fù)荷專門輕(
1)各負(fù)荷電阻RL1~RLn是電源輸出級電路元件參數(shù)的有機(jī)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(guān)電源的動態(tài)特性與負(fù)荷輕重緊密相關(guān)。
2)在開關(guān)電源的動態(tài)特性滿足要求時(shí),由于負(fù)荷變化(Io變化)所產(chǎn)生的開關(guān)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(guān)電源輸出電壓中所含的紋波成分是開關(guān)電源的另一個(gè)固有缺點(diǎn)。削弱其份量的要緊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微小的電容器。
2通信系統(tǒng)中開關(guān)電源的抗負(fù)荷擾動設(shè)計(jì)
2.1開關(guān)電源抗負(fù)荷擾動的本質(zhì)問題
在研究動態(tài)特性時(shí),先忽略圖2中r的阻礙(一般有
),現(xiàn)在其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型框圖如圖3所示。
由式(3)可知
1)開關(guān)電源對象主導(dǎo)模型為二階振蕩環(huán)節(jié),關(guān)于特定的常規(guī)開關(guān)電源產(chǎn)品而言,L、C是一定的,則負(fù)荷變化時(shí)(Io化,即RL變化),必引起&o的大范圍變化。也確實(shí)是講負(fù)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(fù)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(shí)例中,當(dāng)負(fù)荷在2%~100%范圍變化時(shí),則&o∈[0.005,O.245],其隨負(fù)荷的變化量高達(dá)49倍,這也是一般開關(guān)電源輕載性能差的緣故所在。
3)關(guān)于特定的開關(guān)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(guān)電源的負(fù)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(yīng)負(fù)荷大范圍變化場合的動態(tài)性能要求。
2.2強(qiáng)抗擾電源的動態(tài)校正方法及實(shí)現(xiàn)
為克服常規(guī)Pl調(diào)節(jié)律存在的上述缺點(diǎn),可采取如圖4所示的、成本低且易于實(shí)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(shí)刻常數(shù);Kv、Ti、Td分不為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分吋間常數(shù)和微分時(shí)刻常數(shù);Ks、Ts分不為PWM驅(qū)動環(huán)節(jié)的比例系數(shù)與時(shí)刻常數(shù);主電路模型環(huán)節(jié)中的各參數(shù)與圖2對應(yīng)。
在圖4中,Ts、rC、To均為小時(shí)刻常數(shù),在先不計(jì)To的阻礙,并適當(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù),使Ts≈rC(4)
則
由式(6)可知,當(dāng)適量選擇微分時(shí)刻常數(shù)Td,可使輕載時(shí)由&o′起主導(dǎo)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(shí)(RL→RLmin),&o′在&中仍占相當(dāng)重量,即使負(fù)荷大范圍變化時(shí),&的變化范圍仍不大(在本文的仿真實(shí)例中,ξo′=0.531,因此ξ∈[0.536,0.776],其隨2%~100%負(fù)荷率的大范圍變化而引起的ξ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(shí)(RL→RLmin),滿足ξmin≥0.5。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γ不小于60°。由于濾波時(shí)刻常數(shù)To專門小,故在參數(shù)估算中可先不計(jì)及,得
式中的f為開關(guān)電源的調(diào)制頻率(Hz),式(9)中的剪切頻率ωc的汁算如下,由式(5)及圖4(不計(jì)To)得系統(tǒng)相角裕量γ的汁算公式為
由式(13)可求得(ωc/ωn),并進(jìn)而求得KP。
圖4所示的開關(guān)電源中的調(diào)節(jié)器可用簡單的運(yùn)放電路來實(shí)現(xiàn),如圖5所示(圖5中的Uref*與Uf的極性相反)。當(dāng)R1》RP1+R2時(shí),電路元件參數(shù)與調(diào)節(jié)器參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為
2.3一個(gè)實(shí)例的仿真研究
某開關(guān)電源輸出電壓為+5V,額定功率為150W,實(shí)際負(fù)荷率范圍為5%~100%,已知L=47μH,C=6800μF/10V,r=6mΩ,f=25kHz,
對圖4所示強(qiáng)魯棒型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù),經(jīng)計(jì)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(jì)算得Ti=2ms,KP=O.1。
圖3及圖4兩種方案分不在負(fù)荷率為10%、100%和2%、100%時(shí)的仿真結(jié)果(已考慮實(shí)際的限幅特性)分不如圖6及圖7所示。
圖6及圖7兩種方案的仿真結(jié)果表明,常規(guī)PI調(diào)節(jié)方案的開關(guān)電源動態(tài)過渡過程時(shí)刻長,輕載穩(wěn)定性差,在本例中,當(dāng)負(fù)荷為10%時(shí),常規(guī)PI調(diào)節(jié)方案的廾關(guān)電源已處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),這也是目前一般開關(guān)電源產(chǎn)品一般要求負(fù)載率為10%以上的緣故所在(或已在電源內(nèi)部加了小負(fù)載,即并接了電阻);強(qiáng)魯棒方案的開關(guān)電源過渡過程時(shí)刻短,比常規(guī)方案的動態(tài)時(shí)刻縮短了近一個(gè)數(shù)量
級,且當(dāng)負(fù)荷小至2%以下時(shí),仍有良好的動態(tài)特性,同時(shí)也間接提高了開關(guān)電源的效率。
3
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