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、卸載時給開關(guān)電源裝置造成強擾動，進而影響電源的穩(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)生上述問題的原因進行深入分析的基礎(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(guān)電源的應(yīng)用特點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、撤運具有一定的“隨機性”，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)時間長，不僅影響穩(wěn)壓性能，嚴(yán)重時將危及通信設(shè)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(guān)電源設(shè)計中含有較強的實驗整定性，但對負(fù)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(shè)計方法，以簡化、縮短開關(guān)電源的設(shè)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(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)采用插卡式結(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，采用兩塊開關(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)荷模塊的投運情況。在實際運行中，當(dāng)負(fù)荷很輕時(即只插1~2塊用戶板時)或負(fù)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，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)荷很輕(<額定功率的10％)時還會產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩，進而使得相關(guān)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(guān)電源與負(fù)荷視為一個整體電路，其基本結(jié)構(gòu)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RL1~RLn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(fù)荷模塊與開關(guān)電源的內(nèi)在關(guān)系。

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)荷輕重密切相關(guān)。
2)在開關(guān)電源的動態(tài)特性滿足要求時，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(guān)電源的抗負(fù)荷擾動設(shè)計
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，先忽略圖2中r的影響(一般有），此時其對應(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)，對于特定的常規(guī)開關(guān)電源產(chǎn)品而言，L、C是一定的，則負(fù)荷變化時(Io化，即RL變化)，必引起&o的大范圍變化。也就是說負(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，在本文的仿真實例中，當(dāng)負(fù)荷在2％~100％范圍變化時，則&o∈[0．005，O．245]，其隨負(fù)荷的變化量高達49倍，這也是一般開關(guān)電源輕載性能差的原因所在。
3)對于特定的開關(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(qū)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(yīng)。

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(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，使Ts≈rC(4)
則