一種簡(jiǎn)單有效的限流保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法介紹

 摘要：提出了一種簡(jiǎn)單有效的限流保護(hù)電路，論述了該保護(hù)電路應(yīng)用于寬范圍輸入正激變換器和寬范圍輸入反激變換器時(shí)工作狀況的區(qū)別，并給出了一個(gè)適用于寬范圍輸入反激變換器的補(bǔ)償電路。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了限流保護(hù)電路及補(bǔ)償電路的工作原理及其有效性。

關(guān)鍵詞：過(guò)流保護(hù)；正激；反激

0    引言

    過(guò)流保護(hù)電路是電源產(chǎn)品中不可缺少的一個(gè)組成部分，根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式。限流方式由于其具有電流下垂特性，故障解除后開關(guān)電源能自動(dòng)恢復(fù)工作，因此，得到比較廣泛的應(yīng)用。

    限流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié)，目前，一般的做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻或者是用霍爾元件來(lái)獲得電流信號(hào)。當(dāng)取樣電流比較小的時(shí)候，這兩種取樣方法都是可取的。但當(dāng)取樣電流比較大時(shí)，電阻取樣會(huì)有較大的損耗，降低了變換器的效率，而霍爾元件取樣其體積比較大，且價(jià)格昂貴，對(duì)整個(gè)電源的成本也是個(gè)問(wèn)題。

    基于以上考慮，本文提出一種簡(jiǎn)單有效的限流保護(hù)電路，克服了以上兩種方式取樣大電流時(shí)的缺點(diǎn)。它適用于正激、反激等各種變換器，而且成本也比較低。

1    限流保護(hù)電路工作原理

    圖1中虛線框外的電路是普通的峰值電流方式的PWM控制電路，利用電流互感器取樣峰值電流。圖中所示的PWM芯片是ST公司生產(chǎn)的L5991。虛線框內(nèi)是本文所提出的限流保護(hù)電路。它利用峰值電流控制中的電流信號(hào)作為輸入信號(hào)，通過(guò)一個(gè)由D₁，R₁，C₁組成的峰值保持電路和由運(yùn)放組成的PI環(huán)節(jié)得到一個(gè)誤差信號(hào)，在變換器的輸出電流超過(guò)限定值的時(shí)候，該誤差信號(hào)就會(huì)控制PWM芯片的占空比，從而使輸出電流保持在限定值。由于D₂存在，當(dāng)輸出電流低于限流值時(shí)，該部分電路對(duì)占空比的控制不起作用。

圖1    限流保護(hù)電路

    下面以正激變換器為例，闡述限流保護(hù)電路的工作原理。

    正激變換器如圖2所示。設(shè)圖1中A點(diǎn)電壓為v_a，B點(diǎn)電壓為v_b，C點(diǎn)電壓為v_c，圖2中流過(guò)開關(guān)管的電流為i_s，電感電流為i_L，輸出電流為i_o。電流取樣變壓器原邊電流，即流過(guò)開關(guān)管的電流i_s。并作以下假定：

圖2    正激變換器

    1）二極管D₁的導(dǎo)通壓降是V_D1并保持不變；

    2）R₁在實(shí)際電路中的作用是與C₁組成RC吸收網(wǎng)絡(luò)吸收尖峰，這里假定為零；

    3）正激變換器電感L電感量較大，電路工作在CCM模式且電感電流波動(dòng)較小。

    則正激變換器限流保護(hù)電路的理論工作波形如圖3所示。其一個(gè)開關(guān)周期可以分為3個(gè)工作階段。

    階段1（t₀－t₁）    t₀時(shí)刻v_g>0，開關(guān)管S及二極管D_R1導(dǎo)通，i_L線性上升，所以，原邊電流i_s也線性上升，v_a也隨之上升，此時(shí)間段v_a－v_b<V_D1，二極管D₁處于關(guān)斷狀態(tài)，v_b通過(guò)R₃放電，呈下降趨勢(shì)。

    階段2（t₁－t₂）    t₁時(shí)刻v_a－v_b>V_D1，二極管D₁開始導(dǎo)通，v_b隨著v_a線性上升。

    階段3（t₂－t₃）    t₂時(shí)刻v_g=0，S關(guān)斷，i_s=0，則v_a=0，二極管D₁關(guān)斷，v_b通過(guò)R₃放電，直到下一周期的到來(lái)。

    從圖3中可以看到v_b是一個(gè)波動(dòng)的電壓，但是在實(shí)際電路中，由于圖1中時(shí)間常數(shù)R₃C₁取得比較大，v_b的波動(dòng)很小，可以近似為一個(gè)直流電壓。

圖3    正激變換器限流保護(hù)電路理論波形

    根據(jù)假定3)，電感電流的波動(dòng)較小，即v_a的斜率比較小，另外V_D1較小(是因?yàn)榱鬟^(guò)二極管的電流很小，實(shí)驗(yàn)中采用1N5819實(shí)測(cè)值為200mV左右)，則v_b的值近似地等于v_aD(v_a在DT時(shí)間內(nèi)的平均值)。從圖3中可以看到V_aD與輸出電流i_o成正比，也即v_b近似與輸出電流i_o成正比，假定v_b=Ki_oK為常數(shù)。

    我們知道，當(dāng)限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，v_b=v_c=v_ref=Ki_o，此時(shí)輸出電流i_o即為限流保護(hù)值。因此，通過(guò)改變參考電壓V_ref即可改變限流保護(hù)值。

2    限流保護(hù)點(diǎn)補(bǔ)償電路

    在輸出電壓一定，輸入電壓為寬范圍時(shí)，由于占空比隨著輸入電壓的變化而變化，應(yīng)用于不同的拓?fù)?，限流保護(hù)電路的工作情況會(huì)有所不同，下面以正激和反激式變換器為例進(jìn)行理論分析。

    在分析之前先作一個(gè)假定：由前面分析已經(jīng)知道v_b的值近似等于v_aD，在此令v_b=v_aD，并且在以下的波形圖中都以直流電壓出現(xiàn)。
 

2.1    正激變換器

    根據(jù)限流保護(hù)電路的工作原理及以上假定，則有

    v_b=v_aD=i_sDn₂R=    （1）

    i_o=    （2）

式中：i_sD為i_s在DT時(shí)間內(nèi)的平均值；

      n₁為變壓器原副邊匝數(shù)比；

      n₂為電流互感器原副邊匝數(shù)比；

      i_Lo為電感電流一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

當(dāng)限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，v_b=v_c=V_ref，i_o即為限流保護(hù)值i_omax。則

    i_omax=    （3）

    從式（3）中可以看到，n₁，n₂，R為常數(shù)，在V_ref一定的條件下，i_omax是個(gè)恒定值，并不隨輸入電壓的變化而變化。

2.2    反激變換器

    反激變換器如圖4所示，同樣有

    v_b=v_aD=i_sDn₂R=i_Lon₂R=    （4）

    i_o=    （5）

式中：i_Lo為電感電流一個(gè)周期內(nèi)的平均值（反激變換器的電感即變壓器原邊勵(lì)磁電感）；

      i_DD′為流過(guò)副邊二極管D的電流i_D在(1－D)T時(shí)間內(nèi)的平均值。

圖4    反激變換器

又有    V_out=    （6）

推出    D=    （7）

將式（7）代入式（5）得

    i_o=    （8）

    當(dāng)限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，v_b=v_c=V_ref，i_o即為限流保護(hù)值i_omax。則

    i_omax=    （9）

    從式（9）中可以看到，n₁，n₂，R為常數(shù)，在V_out及V_ref一定的條件下，i_omax隨著V_in的增大而增大。

    比較式（1）和式（4）可以發(fā)現(xiàn)：在v_b一定時(shí)（即限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)參考電壓V_ref一定），不管是正激變換器還是反激變換器，電感電流平均值i_Lo都不隨輸入電壓的變化而變化。造成兩者區(qū)別的關(guān)鍵在于：正激變換器的輸出電流是連續(xù)的而反激變換器的輸出電流是斷續(xù)的。對(duì)于正激變換器來(lái)說(shuō)i_o=i_Lo，而對(duì)于反激變換器來(lái)說(shuō)i_o=n₁（1－D）i_Lo。由于在輸出電壓一定時(shí)，占空比D會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化，因此，反激變換器的限流值將會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化。

    圖5和圖6分別給出了假定i_o不變時(shí)，不同輸入電壓正激變換器和反激變換器限流保護(hù)電路的理論波形，圖中輸入電壓V_in2>V_in1。

圖5    不同輸入電壓正激變換器限流保護(hù)電路理論波形

圖6    不同輸入電壓反激變換器限流保護(hù)電路理論波形

    根據(jù)以上分析可知，當(dāng)參考電壓恒定時(shí)，正激變換器限流值也是恒定的，跟輸入電壓沒(méi)有關(guān)系。這里需要指出的是：以上的理論分析是基于v_b=v_aD的假定，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，v_b=v_aD的近似程度也會(huì)不同，所以，實(shí)際上正激變換器限流值

    也會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化，只是波動(dòng)很小，這個(gè)在之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到。

    反激變換器限流值隨著輸入電壓的變化而有較大變化，因此，需要采用一定的措施來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使限流值的變化在可以接受的范圍之內(nèi)。從式（9）中可知限流值隨著輸入電壓的增大而增大，也即假定限流值不變的話，v_b隨著輸入電壓的增大而減少。因此，需要對(duì)v_b作一定的補(bǔ)償，補(bǔ)償電壓應(yīng)隨著輸入電壓的增大而增大，從而來(lái)抵消v_b的變化。用輸入電壓來(lái)作為補(bǔ)償信號(hào)是一種可以選用的方法。輸入電壓通過(guò)一個(gè)電阻接到圖1的C點(diǎn)，如圖4虛線所示，此時(shí)限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，v_c不再等于v_b，而是

    v_c=v_b＋
v_c的第一部分v_b隨著V_in的增大而減小，而第二部分隨著V_in的增大而增大，從而達(dá)到抵消的目的。R₄的取值理論上可以根據(jù)最大輸入電壓和最小輸入電壓時(shí)v_c相等來(lái)求得（R₂取值已定的情況下），再在具體實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行微調(diào)，以求得到最小的限流值變化范圍。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    一個(gè)帶有本文所提出的限流保護(hù)電路的正激變換器，和一個(gè)帶有限流保護(hù)電路和補(bǔ)償電路的反激變換器驗(yàn)證了上述的理論結(jié)果，其電路參數(shù)如表1所列。

表1    電路參數(shù)

    圖7給出的是輸入電壓12V，電路滿載工作時(shí)的限流保護(hù)電路工作波形，從圖中可以看到，它的實(shí)際電路波形跟理論波形是一致的。

    圖8及圖9分別給出了輸入電壓分別為9V，12V，15V，電路滿載工作時(shí)正激變換器和反激變換器限流保護(hù)電路v_a的波形，與圖5和圖6的理論波形也是一致的。

圖7    正激變換器限流保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)波形（V_in=12V）

圖8    不同輸入電壓時(shí)正激變換器v_a波形

圖9    不同輸入電壓時(shí)反激變換器v_a波形

    圖10則給出了正激，反激補(bǔ)償前和反激補(bǔ)償后實(shí)測(cè)限流值隨輸入電壓變化的曲線。正激變換器限流值隨著輸入電壓變化基本不變，而反激變換器限流值在補(bǔ)償前隨輸入電壓的變化有較大的波動(dòng)。但是，在加了補(bǔ)償電路之后反激變換器限流值的穩(wěn)定性有了明顯的改善，證明了該補(bǔ)償電路的有效性。

 圖10    輸入電壓變化時(shí)限流值波動(dòng)曲線

4    結(jié)語(yǔ)

    本文提出的限流保護(hù)電路具有簡(jiǎn)單有效的特點(diǎn)，克服了電路工作電流比較大時(shí)電阻取樣消耗功率大和霍爾元件取樣體積大，成本高的缺點(diǎn)。

    本文分析了該限流保護(hù)電路應(yīng)用于正激和反激變換器時(shí)的工作情況，并且提出了應(yīng)用于寬范圍反激變換器時(shí)的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的補(bǔ)償電路。對(duì)于別的拓?fù)湫璨恍枰郊友a(bǔ)償電路，讀者可根據(jù)輸出電流是連續(xù)還是斷續(xù)自行分析。