將恒定功率源電源改裝成恒定電流源

故障保護是所有電源控制器都有的一個(gè)重要功能。幾乎所有應用都要求使用過(guò)載保護。對于峰值電流模式控制器而言，可以通過(guò)限制最大峰值電流來(lái)輕松實(shí)現這個(gè)功能。在非連續反向結構中，為峰值電流設置限制可最終限制電源從輸入源獲得的功率。但是，限制輸入功率不會(huì )限制電源的輸出電流。如果出現過(guò)載故障時(shí)輸入功率保持不變，則隨著(zhù)輸出電壓下降，輸出電流增加（P=V*I）。發(fā)生短路故障時(shí)，這會(huì )讓輸出整流器或者系統配電出現難以接受的高損耗。本文利用一些小小的創(chuàng )新和數個(gè)額外組件，為您介紹如何對一個(gè)簡(jiǎn)單的峰值電流限制進(jìn)行改進(jìn)，將電源變?yōu)橐粋€(gè)恒定電流源，而非一個(gè)恒定功率源。

圖1對比了理想輸出電壓與恒定功率和恒定電流限制的電流。這兩種情況下，過(guò)載故障保護都在120%最大額定負載時(shí)起作用。在一個(gè)使用功率限制的系統中，輸出電流隨負載增加電壓反向而增加。在現實(shí)系統中，有功率限制的反向控制器會(huì )在某個(gè)點(diǎn)關(guān)閉，原因是控制器的偏壓損耗。相比之下，一旦超出過(guò)載閾值，有電流限制的系統便會(huì )立刻關(guān)閉?？梢酝ㄟ^(guò)直接檢測隔離邊界二次側的負載電流，實(shí)現電流限制。但是，這樣做需要使用更多的電路，效率降低，而且成本一般會(huì )高得離譜。

圖1 理想功率限制產(chǎn)生強電流，觸發(fā)故障保護

圖2顯示了移動(dòng)設備充電器所使用的一個(gè)5V/5W非連續反向電源的原理圖。在范例中，我們使用了UCC28C44控制器，它是大多數經(jīng)濟型峰值電流模式控制器的代表，擁有功率限制功能。在非連續反向結構中，如果忽略效率影響，可使用方程式1計算負載功率（P）的大小。

由于變壓器電感（L）和開(kāi)關(guān)頻率（f）均固定不變，因此可以通過(guò)控制峰值一次電流（IPK）對輸出電壓（VOUT）進(jìn)行調節。隨著(zhù)輸出電流（IOUT）增加，電壓開(kāi)始下降，但是反饋環(huán)路要求更高的峰值電流來(lái)維持電壓調節。

圖2 這種5V/5W反向通過(guò)限制峰值變壓器電流實(shí)現功率限制

在反向轉換器內部，引腳1（COMP）的反饋電壓與峰值電流比較。通過(guò)R15檢測該峰值電流，并使用R13和C12對其進(jìn)行濾波。如果電流檢測電壓達到過(guò)1V，則單獨過(guò)電流比較器終止脈沖。這種峰值電流限制方法與大多數脈寬調制（PWM）控制器中的功率限制過(guò)程一樣。如果功率保持恒定不變，則可以將方程式1改寫(xiě)為方程式2。在該方程式中，我們可以清楚地看到功率限制時(shí)輸出電流同輸出電壓成反比。

一些控制器還包含有一個(gè)第二級比較器。峰值電流高出第一級比較器時(shí)，第二級比較器跳閘斷開(kāi)。這種第二級比較器觸發(fā)控制器完全關(guān)閉，并發(fā)起一個(gè)重啟周期。設計這種額外保護級的目的是防止電源本身發(fā)生災難性故障，例如：短路變壓器繞組或者短路輸出二極管。但是，涉及短路負載的大多數情況一般都不會(huì )超出該閾值。

圖3顯示了輸出和偏置電壓與圖2所示電路負載電流的對比情況。輸出V-I特性非常接近于圖1所示理想情況。負載電流達到約1.3A時(shí)開(kāi)始功率限制。隨著(zhù)負載增加，輸出電壓開(kāi)始下降。由于偏置電壓是輸出電壓的反映，因此它也開(kāi)始下降。偏置電壓降至9V關(guān)閉水平以下時(shí)，PWM控制器關(guān)閉。

圖3 偏置電壓降至控制器關(guān)閉閾值以下后，轉換器不再提供功率限制電流

在該例子中，盡管在負載超出1.3A時(shí)峰值電流限制激活，但是在轉換器關(guān)閉以前負載電流會(huì )為額定負載的兩倍以上。在某些應用中，這是不可接受的。反之，一種更加方形的V-I曲線(xiàn)則較為理想。負載增加超出功率限制點(diǎn)后偏置電壓隨之下降，利用這一特性，我們可以非常輕松地獲得這種V-I曲線(xiàn)。只需增加數個(gè)組件，便可利用不斷降低的偏置電壓在功率限制期間折疊開(kāi)關(guān)頻率。這樣做以后，開(kāi)關(guān)頻率被強制與輸出電壓成正比關(guān)系，如方程式3所示。將方程式3代入方程式2后我們發(fā)現，理論上講功率限制期間輸出電流不再依賴(lài)于輸出電壓的大小，參見(jiàn)方程式4.

用于創(chuàng )建這種改進(jìn)型電流限制而增加的一些組件突出顯示在圖4所示原理圖中。對內部振蕩器編程，通過(guò)R10、R8和C11設置反向轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。一個(gè)內部5V源通過(guò)R10和R8對C11充電。隨著(zhù)偏置電壓下降，R7和R11的電阻分壓器開(kāi)啟Q1，并優(yōu)先于內部5V源進(jìn)行控制，從而降低開(kāi)關(guān)頻率。偏置二極管（D4）現在必須為一種雙串聯(lián)二極管，這樣R7和R11才不會(huì )在啟動(dòng)期間使控制器的電流改道。需正確選擇R7和R11的值，以便讓Q1在正常運行期間處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在偏置電壓降至約12V以下時(shí)才開(kāi)啟。

圖4 增加5個(gè)離散式組件可增強功率限制功能并降低最大故障電流

添加這些組件的結果如圖5所示。同前面一樣，電源進(jìn)入功率限制時(shí)輸出電壓和偏置電壓均開(kāi)始下降。一旦偏置電壓降至足以開(kāi)啟Q1的程度，負載電流的任何繼續增加都會(huì )使開(kāi)關(guān)頻率降低，其反過(guò)來(lái)又會(huì )降低供給負載的有效功率。這會(huì )加快過(guò)電流關(guān)閉過(guò)程。注意，在輸出電流和輸出電壓之間仍然存在一定程度的相互關(guān)系，這是因為變壓器內部的偏置繞組耦合和有限的Q1增益。盡管存在這些缺點(diǎn)，但是增加的電路還是極大地改善了V-I特性。實(shí)際上，電源現在不會(huì )向故障負載提供1.5A以上的電流。

圖5 使用增強型功率限制電路的電源V-I曲線(xiàn)顯示過(guò)載狀態(tài)下的輸出電壓表現出明顯的下降

總之，擁有功率限制保護的電源仍然可以為過(guò)載輸出提供大量的電流。如本文所述，只需在一次側控制器周?chē)砑由贁祹讉€(gè)組件，便可輕松且低成本地實(shí)現精確的電流限制功能。盡管它針對的反向轉換器，但是這種方案也可以減少降壓轉換器的多余電流。