一種簡單有效的限流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種簡單有效的限流保護(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：過流保護(hù)；正激；反激

0 引言

過流保護(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，對整個(gè)電源的成本也是個(gè)問題。

基于以上考慮，本文提出一種簡單有效的限流保護(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_bV_D1，二極管D₁處于關(guān)斷狀態(tài)，v_b通過R₃放電，呈下降趨勢。

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R₃放電，直到下一周期的到來。

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^二極管的電流很小，實(shí)驗(yàn)中采用1N5819實(shí)測值為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)。