具整流調節的平均功率電源設計: 智慧型脈衝負載電源解決方案

脈衝負載應用的電源系統的設計若只是為了滿足一個已知峰值功率需求時會有甚麼問題？如果忽略峰值功率一次只需要很短時間週期這一事實，那麼您就沒有對整體效率及尺寸進行最佳化。但如果功率密度很重要，您就需要瞭解更多關於透過調節來實現平均功率以及這會如何為您的新一代電源設計帶來優勢的資訊。

介紹

透過調節實現平均功率在持續不斷提升效率減小電源占板面積。您可以用更多的空間做什麼？由於提升的效率所節省的長期成本是什麼？提供脈衝負載的電源系統可透過使用平均功率變得更小、更輕、更經濟。在一個電源系統設計成為需要某種功率級的特定負載穩壓時，通常該功率級是恒定的：如果負載需要 1kW，電源系統就設計成最大供電功率為 1kW。但在功率級經常波動而且功率波動為週期性脈衝（其中峰值功率是已知的）的系統中，平均功率允許設計人員為脈衝負載提供平均功率。

在平均功率架構中，峰值功率透過佈置在電源輸出端的電容器提供並平均。需要峰值功率時，電容器會向負載供電，而且該電源可補充電容器的能量。電容器提供能量時，由於電容器沒有調節電壓，因此電容器上的電壓和負載都會下降。該電源將以等於平均電流的恒定速率連續供電。電容器上的壓降等於脈衝持續時間內的平均功率和峰值功率之間的差值。電容器在脈衝斷開時以恒定的速率充電。

平均功率幫助提高效率

負載能夠處理電壓變化時，平均功率是一個很好的選項，例如在由多個下游穩壓器組成的負載情況下。但如果負載不能處理電壓下降，系統將會失敗。透過使用非隔離穩壓器和固定比率電壓隔離器在平均功率系統中納入穩壓，可輕鬆解決該問題，在許多情況下，這可帶來另一項優勢：更高的整體系統效率。例如，在許多脈衝雷達應用中，雷達在特定電壓下效率最高。如果平均電容器直接供電給雷達，雷達的效率會隨電壓下降而降低。增加穩壓將有助於雷達在整個脈衝中於其最高效的點上工作。

在所推薦的解決方案中，一個正弦振幅轉換器 (SAC™) 和 ZVS 升降壓穩壓器可與電容器串聯堆疊，提供完整的電流，但只能補償壓降，這是功率的一小部分。在設計一款透過穩壓實現平均功率的電源系統時，設計人員必須考慮幾個重要因素：儲能電容器的尺寸、隔離器的電壓及電流範圍以及非隔離穩壓器的控制迴路頻寬。

圖 1 是透過穩壓實現平均功率的方塊圖。U1 是平均電源，其可透過該應用所需的平均功率為電容器充電。U1 為了保護電源而限制電流和功率。U2 是非隔離穩壓模組，其不僅可透過 +S 和 -S 監控負載電壓，而且還可透過 U3 對負載電壓進行穩壓，U3 是固定比率正弦振幅轉換器。U3 的輸出與儲能脈衝電容器串聯。當負載需要一個電流脈衝而導致儲能脈衝電容器電壓下降時，U2 將 U3 的輸出電壓升高（與電容器的壓降成反比），使負載電壓在整個脈衝中保持不變。

正確調整儲能電容容值

應用所需的電容可用方程式 1 表示，其中 C 為電容值，P 為電容器提供的功率。T1 和 T2 之間的差異是負載所需的持續時間。V1 和 V2 之間的差異是功率傳輸過程中電容器兩端的壓降。在方程式 1 中，假設在脈衝過程中電源 U1提供的平均功率可以忽略不計。由於 DCDC 轉換器 U1 在供電給電容器及負載時會進入限流狀態，因此在負載需要電源時，電容器會提供較大一部分負載電流。當電容器將負載電流和電流同時提供給 U2 時，其電壓就會開始下降。因此，必須調整電容器尺寸，使電容器上的電壓保持在 U2 的輸入電壓範圍內。在考慮電容器必須提供的功率 (P) 時，設計必須考慮提供給 U2 輸入端的功率。該功率也來自電容器。脈衝期間的負載功率是電容電壓加上 U3 輸出電壓乘以負載電流。U3 的輸出電壓很小，因此與電容器提供的整體功率相比，U2 和 U3 的功率位準相對較小。U2 和 U3 的功率位準將隨電容電壓的變化而改變。U3 補償越多，透過 U2 的功率就越大。

方程式 1:

隔離器的電壓與電流範圍

在考慮 U2 和 U3 的配置時，設計必須考慮 U2 的輸入/輸出範圍和 U3 的輸出電流。U2 由電容器供電，因此它的輸入電壓範圍必須為方程式 1 的 V1 和 V2。如果允許電容器電壓從 48VDC 降至 45VDC，那 U2 就需要相同或更大的輸入範圍。

在圖 1 中，U2 的輸出流入固定比率隔離器 U3。U2 一旦感測到負載位置的壓降，就會透過增加 U3 的輸出電壓進行補償。U3 是一個固定比率隔離器，因此輸出電壓就是輸入電壓乘以該比值。如果 U3 的比值為 1/12，輸入電壓為 48VDC，則輸出電壓為 48/12 或4VDC。固定比率隔離轉換器將除以輸入電壓及乘以輸入電流來得到輸出電壓及輸出電流。比率為 1/12 的情況下，U3 輸出電流為輸入電流乘以 12。U2 和 U3 的電壓調整補償範圍必須寬到足以補償電容器的壓降。如果允許電容器下降 4VDC，那 U2 和 U3 的組合就必須能夠補償該壓降。U2 和 U3 的調整範圍或補償範圍越大，系統在電容值和技術方面就越靈活。例如，可以選擇等效串聯內阻更大的電容器，因為 U3 可以補償壓降。

穩壓器控制迴路頻寬

U2 和 U3 的組合必須快速、可控地提供滿負載電流和部分負載電壓。這就是 U2 控制在平均功率系統效能中發揮重要作用的地方。當負載需要電流時，其響應時間通常為幾百奈秒到幾微秒，持續時間通常為幾百微秒到幾毫秒。在這些脈衝載入應用中，脈衝持續期間負載級別通常是從空載到滿負載。U2 控制迴路必須在負載變化時和輸入電壓變化時調節輸出電壓。在許多情況下，U2 電源模組控制迴路內部都足以以最小的電壓下衝及過衝處理這些負載變動。如果內部控制迴路不夠快或不夠穩定，無法調節負載電壓，可採用外部控制迴路。有些電源模組可讓設計人員存取內部調節器，從而可透過配置外部控制來驅動功率級。這有助於設計人員透過補償外部控制迴路來獲得最佳的系統效能。

U2 可設計為針對系統提供最佳的暫態響應，但 U3 固定比率電壓轉換器必須提供電流和電壓。提供固定比率變壓模組，其設計有極低的路徑電感和高切換頻率，能非常迅速地從輸入向輸出提供能量。它們能夠在幾奈秒內提供數百安培的電流。加上該組合的隔離特性，可使這款轉換器在調節負載電壓方面變得非常完美。

圖 2 是透過穩壓配置實現的平均功率及其測試結果。圖 2 中的 U1 是一個限流裝置，功率設定為 160W。該裝置可為 110mF 脈衝電容器 C 充電。U2 在圖 1 中經過配置，可將負載電壓調節為 48VDC。負載電流從 0.5A 脈衝到 60A。通道 3 為脈衝負載電流，通道 1 為脈衝電容器電壓，通道 2 為 U1 輸入電流，而通道 4 則為負載電壓。如圖 2 波形所示，在整個脈衝寬度內，即使電容器降壓 2V，負載電壓也會穩定。圖 2 還顯示電容 ESR 對系統的影響。在電源脈衝開始和結束的通道 1 中所示的電壓快速變化是由電容器的 ESR 所引起。使用 ESR 較低的電容，可減緩電壓快速變化。

結

平均功率是為 衝 配置供 系統的優異選 允許設 人員構建一款功率密 且非常 有效率的小型系統。 在 承受壓降時是非常簡單的方法 但如果 對壓降很敏 感 採用非 穩壓器和固定比率 壓轉換器構成的穩壓系統 將允許設 人員在不影 系統穩定性的情況下保持平均功率的優勢。