一种可程控调制脉冲电源模块的研制

在某发射机中，为了降低整机功耗，对某间歇工作的单元电路采取脉冲制式供电方式。本文研制的电源模块，可通过外部控制信号，快速的开启和关断，为负载提供15V电压，1A电流的供电脉冲。

　　一般开关电源启动延迟时间为ms级，直接控制电源的On/Off端无法输出上下沿为ns级的输出脉冲。本文介绍了一种输出级调制方式，满足了输出脉冲建立时间及关闭时间为ns级的要求，输出功率达15W，调制频率从200Hz～50kHz，脉冲电压跌落幅度小于0.5 %的要求。

　　本文着重分析了影响脉冲电源主要参数的因素及解决方法，最后给出采用厚膜混合集成技术制作的28V输入，15V/15W输出可程控调制脉冲电源模块的实测参数。

　　1 脉冲电源参数要求

　　本文介绍的脉冲电源，要求达到下面主要设计指标：

　　输入标称电压Vin： 28V

　　输入电压范围Vin： 16V～40V

　　高电平输出电压VOH： 15V±1%

　　高电平输出电流IOH： 1A

　　调制频率fs： 100Hz～50kHz

　　占空比D： 30%

　　脉冲跌落幅度SVO： ≤75mV

　　导通延迟时间tf： ≤1μs

　　关断延迟时间tl： ≤1μs

　　2 电源整体方案

　　一般开关电源启动延迟时间为ms级，所以直接控制电源的On/Off端无法实现ns级上升沿的脉冲输出。为满足设计指标要求，采取开关电源及次级调制方式，原理框图见图1。

　　从框图1可以看出，电源采用常用的单端正激拓扑结构。单端正激开关电源为采用中小功率开关电源电路，其设计方法已经成熟，这里不再赘述。

　　开关电源启动后始终处于工作状态，输出脉冲由输出调制电路控制MOS管Q2的导通和关断来实现。由于调制和MOS管驱动总延迟时间可以设计在ns级，所以可以满足脉冲的导通及关断时间小于1μs。

　　3 输出脉冲电压跌落系数设计

　　理想的脉冲电源，在满负载情况下，脉冲输出时应该迅速达到要求输出电压。然而，脉冲输出对电源来说相当快速的进行空载——满载——空载——满载切换。由于几乎所有开关电源都有一个特性：即空载——满载切换时，输出电压会跌落一定幅度再恢复到额定电压;而满载——空载切换时，输出电压会上冲一定幅度再恢复到额定电压，这是因为开关电源输出电压的稳定，是靠输出电压变化采样——误差比较放大——脉宽调制——稳定输出电压来完成的。整个过程需要的时间是造成负载瞬变特性的原因。该特性用负载瞬变输出电压变化量(VLT)和负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)来表示。一般来说，负载瞬变输出电压变化量(VLT)在输出电压的5%～8%之间，负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)小于100μs已经是性能不错的开关电源了。

　　开关电源负载瞬变特性的存在，对于脉冲输出来说，却是一个不可忽视的重要指标。

　　图2反映了电源负载瞬变特性对脉冲输出的影响。由于电源负载瞬变特性的存在，在脉冲输出时，由于-VLT的存在，会导致VPo不能及时上升到标称输出电压幅度。该输出电压与标称输出电压之差定义为脉冲电压幅度SVO。工程设计中如何计算选择器件参数使之满足设计指标要求，是本文探讨的主要内容。

　　降低脉冲电压跌落幅度SVO的最有效途径，是改善开关电源的负载瞬变特性，使之负载瞬变输出电压变化量(VLT)尽量的小，负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)尽量的短。但是，前面讲过，电源的负载瞬变特性是整个闭环调整过程所需要的时间，是必然存在的。而且电源设计师在设计电源时，总要综合考虑所有参数，特别是环路稳定性。所以，负载瞬变输出电压变化量(VLT)不可能无限的小，负载瞬变时输出电压的恢复时间(tLT)不可能无限的短。对于脉冲输出幅度的快速建立，该特性的影响始终不可忽视。

　　分析图1，不难发现，电容C2是一个改善脉冲电压跌落幅度SVO的关键器件。假设Q2导通之前，开关电源已经工作，C2已经充电至输出直流电压VDo。那么在Q2开启，VDo出现跌落-VLT期间，输出脉冲VPo上升沿的快速建立，将由C2对负载放电(图3)来实现。这样，问题就转化为C2电容量与脉冲电压跌落幅度SVO的关系。建立这两者的量值关系，计算选择C2容量，是降低脉冲电压跌落幅度SVO的另一个有效途径。

　　假设在Q2开启瞬间，电源负载瞬变时输出电压的恢复时间tLT内，VPo的电压幅度完全由电容C2在RL上放电建立。那么则要求电容C2上的电压Vc在Q2开启时刻t0开始放电至tLT时刻仍然维持在VP1(忽略Vds)。

　　初始电压为VC0的电容C2通过Q2向RL放电，任意时刻电容上的电压为

　　结合本例要求，即是tLT时刻，电容C2上的电压为VP1。代入上式为

　　上式除了C2，其它参数都已知。所以

　　根据本例参数要求，而且开关电源的负载瞬变时输出电压的恢复时间tLT设计为80μs，则

　　取1000μF。

　　4 实际测试参数

　　根据上述分析设计的脉冲电源，所有参数均满足设计要求。实测各种频率下的输出波形，其脉冲电压跌落幅度SVO都在设计要求范围内，有关数据如表1所示。

　　5 结语

　　本文给出了一种脉冲电源的电路方案，重点分析影响脉冲电源主要参数——输出脉冲电压跌落幅度SVO的因素及解决方法。实际产品测试参数验证了设计方法的正确性。