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引言 在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容是過(guò)載保護(hù)功能的設(shè)計(jì)，尤其是在空間領(lǐng)域，由于其高可靠、高風(fēng)險(xiǎn)、不可維修性的特殊要求，使得空間用DC-DC變換器要具備可靠的過(guò)載保護(hù)功能。 過(guò)載保護(hù)的功能是指在負(fù)載過(guò)載情況下能有效保護(hù)DC-DC變換器不致由于過(guò)熱而損壞，即主要是控制功率MOSFET管的過(guò)載電流(輸入電流)。由于用電負(fù)載不同，對(duì)過(guò)載保護(hù)功能要求也不同。如衛(wèi)星控制系統(tǒng)要求過(guò)載后DC-DC變換器不能斷電，因此采取限流保護(hù);有效載荷系統(tǒng)要求可以在過(guò)載后DC-DC變換器斷電，因此采取截流保護(hù)。又如集中供電的電源系統(tǒng)，由于多臺(tái)設(shè)備公用一個(gè)電源，因此也要求由于其中一臺(tái)設(shè)備過(guò)載后DC-DC變換器還能正常提供輸出;而分散供電的電源系統(tǒng)則可以根據(jù)具體的配電要求設(shè)置過(guò)流保護(hù)方式等。 DC-DC變換器由于和用電負(fù)載緊密結(jié)合在一起，因此引起過(guò)載的失效模式可能是內(nèi)部原因，即DC-DC變換器內(nèi)部失效。也可能是外部原因，即用電負(fù)載的失效。 內(nèi)部原因例如DC-DC變換器輸出整流二極管的短路、輸出濾波電容的短路、輸出濾波共模電感兩個(gè)繞組之間的短路等。內(nèi)部原因很簡(jiǎn)單，主要是用電負(fù)載的短路、CMOS電路的閂鎖等。 本文提出了一種基于PWM的限流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證。 電流環(huán)控制方式的過(guò)流保護(hù) 電流型控制是雙環(huán)控制系統(tǒng)，由開關(guān)器件的峰值電流信號(hào)反饋的電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和輸出電壓信號(hào)反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構(gòu)成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級(jí)的電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。 電流型控制方式的PWM有多種，諸如UC1842(3、4、5)系列、UC1846、UC1825(電壓型和電流型)等，都設(shè)計(jì)了基于電流環(huán)的過(guò)流保護(hù)功能。 以UC1842為例，其工作原理是功率開關(guān)管由振蕩器起始導(dǎo)通，當(dāng)峰值電感電流達(dá)到誤差放大器輸出建立的門限電平時(shí)終止，這樣使得在逐周基礎(chǔ)上反饋的誤差信號(hào)控制峰值電感電流。即電流取樣信號(hào)逐周與誤差放大器的輸出電平比較，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)輸出。在過(guò)流狀態(tài)下，由于峰值電感電流斜率比較大，使得逐周比較產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖很窄，從而大大限制了功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了限流保護(hù)，是一種峰值電流控制方式。其峰值電感電流受誤差放大器輸出電壓的控制，見(jiàn)式(1)： 
其中：VE為誤差放大器的輸出電壓;RS電流檢測(cè)電阻。 但筆者根據(jù)多年工程實(shí)際驗(yàn)證，僅僅依靠電流環(huán)控制方式的過(guò)流保護(hù)不能有效的限制輸入電流，電路仿真和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較一致，下面給出基于PWM 1845的電流環(huán)過(guò)流保護(hù)的仿真結(jié)果。仿真電路見(jiàn)圖1，結(jié)果見(jiàn)圖2�？梢钥吹竭^(guò)流后輸入平均電流為0.65A。
用電流采樣信號(hào)控制PWM誤差放大器反向輸入端的過(guò)流保護(hù) 為了有效實(shí)現(xiàn)過(guò)流后限制輸入電流，設(shè)計(jì)了一種用電流采樣信號(hào)控制PWM誤差放大器反向輸入端的過(guò)流保護(hù)電路，如圖3所示。
電路基本工作原理如下：圖3中的三極管V2接成射極跟隨器形式，電流互感器采得的輸出端的電流信號(hào)作為控制信號(hào)來(lái)控制V2。正常輸出時(shí)，電流取樣信號(hào)電壓很低，使得射隨器輸出電壓低于誤差放大器反向輸入端(反饋端)設(shè)定電平，圖3所示的過(guò)流保護(hù)電路不影響DC-DC變換器的正常輸出特性。當(dāng)輸出過(guò)流時(shí)，電流取樣信號(hào)電壓增大，使得射隨器輸出電壓高于誤差放大器反向輸入端設(shè)定電平，誤差放大器輸出電壓Ve降低，PWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變窄，使輸出電壓降低，輸入電流最終穩(wěn)定在某一個(gè)值上。仿真電路見(jiàn)圖4，結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看到過(guò)流后輸入平均電流為0.157A。
用電流采樣信號(hào)控制PWM誤差放大器輸出端的過(guò)流保護(hù) 從上述電路可以看出，相較于直接利用PWM電流環(huán)的過(guò)流保護(hù)，輸入電流有明顯降低，但源端仍有0.157A的電流，主要原因是該控制方式是平均電流控制方式。過(guò)流控制信號(hào)是將輸出電流取樣并整流成直流信號(hào)，通過(guò)誤差放大器輸入端參與比較形成驅(qū)動(dòng)脈沖。因此當(dāng)過(guò)載時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)周期積累周后形成的過(guò)流控制信號(hào)輸入到誤差放大器反向輸入端，使得誤差放大器輸出為低電平，此時(shí)無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，電源輸出降低;又經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)周期后，由于電源輸出降低，過(guò)流控制信號(hào)也降低，此時(shí)又產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，使電源輸出升高。如此周而復(fù)始，使電源間歇振蕩輸出，從圖5中也可以看出，輸入電流也是間歇振蕩波形。 為了進(jìn)一步優(yōu)化過(guò)流保護(hù)方式，將圖3所示的過(guò)流保護(hù)電路改進(jìn)如下：將控制管V2的集電極接到誤差放大器的輸出端，射級(jí)接地。如圖6所示。 電路基本工作原理如下：當(dāng)DC-DC變換器工作于正常閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，PWM誤差放大器工作在線性放大區(qū)，其輸出電平取決于輸入誤差信號(hào)電平和放大器的增益。圖6中的三極管V2工作在截至區(qū)，圖6所示的過(guò)流保護(hù)電路不影響正常DC-DC變換器的正常輸出特性。
當(dāng)DC-DC變換器工作于過(guò)流狀態(tài)時(shí)，誤差放大器工作在飽和區(qū)。由于誤差放大器不是理想運(yùn)放，因此輸出電阻不為零，因此將其簡(jiǎn)化為一個(gè)含內(nèi)阻的電壓源。三極管 V2工作在線性放大區(qū)，可以將其簡(jiǎn)化為受控可變電阻(Re)，因此圖6可以簡(jiǎn)化為圖7所示的原理圖。當(dāng)輸出過(guò)流后，過(guò)流采樣信號(hào)升高，導(dǎo)致Ib增大，使得 V2的Ic增大，由于誤差放大器內(nèi)阻的存在，使誤差放大器的輸出電壓Ve降低，這樣就使PWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變窄，使輸出電壓降低，限制了輸入電流。
仿真電路見(jiàn)圖8，結(jié)果見(jiàn)圖9。可以看到過(guò)流后輸入平均電流為0.074A。
試驗(yàn)結(jié)果 針對(duì)上述三種過(guò)流保護(hù)方式，我們?cè)谝慌_(tái)28V輸入、5V/20W的DC-DC模塊上作了試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10～12。
結(jié)語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)的基于PWM的過(guò)流保護(hù)電路，是一種通用的DC-DC變換器過(guò)流保護(hù)電路，可靠性較高，可以有效地保護(hù)DC-DC變換器過(guò)載時(shí)由于過(guò)熱而損壞。 參考文獻(xiàn)： [1] 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2004 [2] Marty B. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：徐德鴻, 沈旭, 楊成林, 等.譯. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005 [3] 第二版.信號(hào)與系統(tǒng). 西安：劉樹棠譯. 西安交通大學(xué)出版社, 1999 [4] Paul H, Winfield H. 電子學(xué)[M] . 吳利民, 余國(guó)文, 歐陽(yáng)華, 等. 譯. 第二版[M] . 北京：電子工業(yè)出版社, 2007 [5] Keith B. 張占松, 汪仁煌, 謝麗萍, 譯. 開關(guān)電源手冊(cè), 第二版. 北京：人民郵電出版社, 2006 [6] 劉克承, 王衛(wèi)國(guó). 航天器DC-DC變換器的過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J]. 電子產(chǎn)品世界, 2009(11) 作者：劉克承 王衛(wèi)國(guó) 李斌 蘭州空間技術(shù)物理研究所 時(shí)間：2010-04-19 |
