一種可程控調(diào)制脈沖電源模塊的研制

在某發(fā)射機(jī)中，為了降低整機(jī)功耗，對(duì)某間歇工作的單元電路采取脈沖制式供電方式。本文研制的電源模塊，可通過(guò)外部控制信號(hào)，快速的開(kāi)啟和關(guān)斷，為負(fù)載提供15V電壓，1A電流的供電脈沖。

　　一般開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)延遲時(shí)間為ms級(jí)，直接控制電源的On/Off端無(wú)法輸出上下沿為ns級(jí)的輸出脈沖。本文介紹了一種輸出級(jí)調(diào)制方式，滿足了輸出脈沖建立時(shí)間及關(guān)閉時(shí)間為ns級(jí)的要求，輸出功率達(dá)15W，調(diào)制頻率從200Hz～50kHz，脈沖電壓跌落幅度小于0.5 %的要求。

　　本文著重分析了影響脈沖電源主要參數(shù)的因素及解決方法，最后給出采用厚膜混合集成技術(shù)制作的28V輸入，15V/15W輸出可程控調(diào)制脈沖電源模塊的實(shí)測(cè)參數(shù)。

　　1 脈沖電源參數(shù)要求

　　本文介紹的脈沖電源，要求達(dá)到下面主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

　　輸入標(biāo)稱電壓Vin： 28V

　　輸入電壓范圍Vin： 16V～40V

　　高電平輸出電壓VOH： 15V±1%

　　高電平輸出電流IOH： 1A

　　調(diào)制頻率fs： 100Hz～50kHz

　　占空比D： 30%

　　脈沖跌落幅度SVO： ≤75mV

　　導(dǎo)通延遲時(shí)間tf： ≤1μs

　　關(guān)斷延遲時(shí)間tl： ≤1μs

　　2 電源整體方案

　　一般開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)延遲時(shí)間為ms級(jí)，所以直接控制電源的On/Off端無(wú)法實(shí)現(xiàn)ns級(jí)上升沿的脈沖輸出。為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，采取開(kāi)關(guān)電源及次級(jí)調(diào)制方式，原理框圖見(jiàn)圖1。

　　從框圖1可以看出，電源采用常用的單端正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單端正激開(kāi)關(guān)電源為采用中小功率開(kāi)關(guān)電源電路，其設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成熟，這里不再贅述。

　　開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)后始終處于工作狀態(tài)，輸出脈沖由輸出調(diào)制電路控制MOS管Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于調(diào)制和MOS管驅(qū)動(dòng)總延遲時(shí)間可以設(shè)計(jì)在ns級(jí)，所以可以滿足脈沖的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間小于1μs。

　　3 輸出脈沖電壓跌落系數(shù)設(shè)計(jì)

　　理想的脈沖電源，在滿負(fù)載情況下，脈沖輸出時(shí)應(yīng)該迅速達(dá)到要求輸出電壓。然而，脈沖輸出對(duì)電源來(lái)說(shuō)相當(dāng)快速的進(jìn)行空載——滿載——空載——滿載切換。由于幾乎所有開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)特性：即空載——滿載切換時(shí)，輸出電壓會(huì)跌落一定幅度再恢復(fù)到額定電壓;而滿載——空載切換時(shí)，輸出電壓會(huì)上沖一定幅度再恢復(fù)到額定電壓，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定，是靠輸出電壓變化采樣——誤差比較放大——脈寬調(diào)制——穩(wěn)定輸出電壓來(lái)完成的。整個(gè)過(guò)程需要的時(shí)間是造成負(fù)載瞬變特性的原因。該特性用負(fù)載瞬變輸出電壓變化量(VLT)和負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間(tLT)來(lái)表示。一般來(lái)說(shuō)，負(fù)載瞬變輸出電壓變化量(VLT)在輸出電壓的5%～8%之間，負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間(tLT)小于100μs已經(jīng)是性能不錯(cuò)的開(kāi)關(guān)電源了。

　　開(kāi)關(guān)電源負(fù)載瞬變特性的存在，對(duì)于脈沖輸出來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)不可忽視的重要指標(biāo)。

　　圖2反映了電源負(fù)載瞬變特性對(duì)脈沖輸出的影響。由于電源負(fù)載瞬變特性的存在，在脈沖輸出時(shí)，由于-VLT的存在，會(huì)導(dǎo)致VPo不能及時(shí)上升到標(biāo)稱輸出電壓幅度。該輸出電壓與標(biāo)稱輸出電壓之差定義為脈沖電壓幅度SVO。工程設(shè)計(jì)中如何計(jì)算選擇器件參數(shù)使之滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，是本文探討的主要內(nèi)容。

　　降低脈沖電壓跌落幅度SVO的最有效途徑，是改善開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載瞬變特性，使之負(fù)載瞬變輸出電壓變化量(VLT)盡量的小，負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間(tLT)盡量的短。但是，前面講過(guò)，電源的負(fù)載瞬變特性是整個(gè)閉環(huán)調(diào)整過(guò)程所需要的時(shí)間，是必然存在的。而且電源設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)電源時(shí)，總要綜合考慮所有參數(shù)，特別是環(huán)路穩(wěn)定性。所以，負(fù)載瞬變輸出電壓變化量(VLT)不可能無(wú)限的小，負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間(tLT)不可能無(wú)限的短。對(duì)于脈沖輸出幅度的快速建立，該特性的影響始終不可忽視。

　　分析圖1，不難發(fā)現(xiàn)，電容C2是一個(gè)改善脈沖電壓跌落幅度SVO的關(guān)鍵器件。假設(shè)Q2導(dǎo)通之前，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)工作，C2已經(jīng)充電至輸出直流電壓VDo。那么在Q2開(kāi)啟，VDo出現(xiàn)跌落-VLT期間，輸出脈沖VPo上升沿的快速建立，將由C2對(duì)負(fù)載放電(圖3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為C2電容量與脈沖電壓跌落幅度SVO的關(guān)系。建立這兩者的量值關(guān)系，計(jì)算選擇C2容量，是降低脈沖電壓跌落幅度SVO的另一個(gè)有效途徑。

　　假設(shè)在Q2開(kāi)啟瞬間，電源負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間tLT內(nèi)，VPo的電壓幅度完全由電容C2在RL上放電建立。那么則要求電容C2上的電壓Vc在Q2開(kāi)啟時(shí)刻t0開(kāi)始放電至tLT時(shí)刻仍然維持在VP1(忽略Vds)。

　　初始電壓為VC0的電容C2通過(guò)Q2向RL放電，任意時(shí)刻電容上的電壓為

　　結(jié)合本例要求，即是tLT時(shí)刻，電容C2上的電壓為VP1。代入上式為

　　上式除了C2，其它參數(shù)都已知。所以

　　根據(jù)本例參數(shù)要求，而且開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間tLT設(shè)計(jì)為80μs，則

　　取1000μF。

　　4 實(shí)際測(cè)試參數(shù)

　　根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)的脈沖電源，所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)各種頻率下的輸出波形，其脈沖電壓跌落幅度SVO都在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文給出了一種脈沖電源的電路方案，重點(diǎn)分析影響脈沖電源主要參數(shù)——輸出脈沖電壓跌落幅度SVO的因素及解決方法。實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試參數(shù)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。