一種簡(jiǎn)單有效的限流保護電路的設計

　　限流保護電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節，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。當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(wèn)題。
　
　　基于以上考慮，本文提出一種簡(jiǎn)單有效的限流保護電路，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 限流保護電路工作原理

　　圖1中虛線(xiàn)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[1]。虛線(xiàn)框內是本文所提出的限流保護電路。它利用峰值電流控制中的電流信號作為輸入信號，通過(guò)一個(gè)由D1，R1，C1組成的峰值保持電路和由運放組成的PI環(huán)節得到一個(gè)誤差信號，在變換器的輸出電流超過(guò)限定值的時(shí)候，該誤差信號就會(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。

　　下面以正激變換器為例，闡述限流保護電路的工作原理。

正激變換器如圖2所示。設圖1中A點(diǎn)電壓為va，B點(diǎn)電壓為vb，C點(diǎn)電壓為vc，圖2中流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為is，電感電流為iL，輸出電流為io。電流取樣變壓器原邊電流，即流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流is。并作以下假定：

1）二極管D1的導通壓降是VD1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電路的理論工作波形如圖3所示。其一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可以分為3個(gè)工作階段。

階段1（t0－t1）t0時(shí)刻vg>0，開(kāi)關(guān)管S及二極管DR1導通，iL線(xiàn)性上升，所以，原邊電流is也線(xiàn)性上升，va也隨之上升，此時(shí)間段va－vb 階段2（t1－t2）t1時(shí)刻va－vb>VD1，二極管D1開(kāi)始導通，vb隨著(zhù)va線(xiàn)性上升。
階段3（t2－t3）t2時(shí)刻vg=0，S關(guān)斷，is=0，則va=0，二極管D1關(guān)斷，vb通過(guò)R3放電，直到下一周期的到來(lái)。
從圖3中可以看到vb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R3C1取得比較大，vb的波動(dòng)很小，可以近似為一個(gè)直流電壓。

根據假定3)，電感電流的波動(dòng)較小，即va的斜率比較小，另外VD1較小(是因為流過(guò)二極管的電流很小，實(shí)驗中采用1N5819實(shí)測值為200mV左右)，則vb的值近似地等于vaD(va在DT時(shí)間內的平均值)。從圖3中可以看到VaD與輸出電流io成正比，也即vb近似與輸出電流io成正比，假定vb=Kio，K為常數。

我們知道，當限流保護電路工作并達到穩定狀態(tài)時(shí)，vb=vc=vref=Kio，此時(shí)輸出電流io即為限流保護值。因此，通過(guò)改變參考電壓Vref即可改變限流保護值。

2 限流保護點(diǎn)補償電路

在輸出電壓一定，輸入電壓為寬范圍時(shí)，由于占空比隨著(zhù)輸入電壓的變化而變化，應用于不同的拓撲，限流保護電路的工作情況會(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vb的值近似等于vaD，在此令vb=vaD，并且在以下的波形圖中都以直流電壓出現。

2.1 正激變換器

根據限流保護電路的工作原理及以上假定，則有

vb=vaD=isDn2R=ilon2R/n1=ion2R/n1 （1）

io=n1vb/n2R （2）

式中：isD為is在DT時(shí)間內的平均值；n1為變壓器原副邊匝數比；

n2為電流互感器原副邊匝數比；

iLo為電感電流一個(gè)周期內的平均值。

當限流保護電路工作并達到穩定狀態(tài)時(shí)，vb=vc=Vref，io即為限流保護值iomax。則
iomax=n1Vref/n2R （3）

從式（3）中可以看到，n1，n2，R為常數，在Vref一定的條件下，iomax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

vb=vaD=isDn2R=iLon2R=(iDD'n2R)/n1=(ion2R)/n1D' （4）

io=(D'n1vb)/n2R=[(1-D)n1vb]/n2R （5）

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

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

又有Vout=VinD/n1(1-D) （6）

推出D=n1Vout/(n1Vout Vin)（7）

將式（7）代入式（5）得

io=[1-(n1Vout/n1Vout Vin)n1vb]/n2R （8）

當限流保護電路工作并達到穩定狀態(tài)時(shí)，vb=vc=Vref，io即為限流保護值iomax。則
iomax=[1-(n1Vout/n1Vout Vin)n1Vref]/n2R（9）

從式（9）中可以看到，n1，n2，R為常數，在Vout及Vref一定的條件下，iomax隨著(zhù)Vin的增大而增大。

比較式（1）和式（4）可以發(fā)現：在vb一定時(shí)（即限流保護電路工作并達到穩定狀態(tài)時(shí)參考電壓Vref一定），不管是正激變換器還是反激變換器，電感電流平均值iLo都不隨輸入電壓的變化而變化。造成兩者區別的關(guān)鍵在于：正激變換器的輸出電流是連續的而反激變換器的輸出電流是斷續的。對于正激變換器來(lái)說(shuō)io=iLo，而對于反激變換器來(lái)說(shuō)io=n1（1－D）iLo。由于在輸出電壓一定時(shí)，占空比D會(huì )隨著(zhù)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(zhù)輸入電壓的變化而變化。

圖5和圖6分別給出了假定io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電路的理論波形，圖中輸入電壓Vin2>Vin1。

根據以上分析可知，當參考電壓恒定時(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vb=vaD的假定，當輸入電壓變化時(shí)，vb=vaD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(zhù)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)驗結果中可以看到。

反激變換器限流值隨著(zhù)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)行補償，使限流值的變化在可以接受的范圍之內。從式（9）中可知限流值隨著(zhù)輸入電壓的增大而增大，也即假定限流值不變的話(huà)，vb隨著(zhù)輸入電壓的增大而減少。因此，需要對vb作一定的補償，補償電壓應隨著(zhù)輸入電壓的增大而增大，從而來(lái)抵消vb的變化。用輸入電壓來(lái)作為補償信號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(xiàn)所示，此時(shí)限流保護電路工作并達到穩定狀態(tài)時(shí)，vc不再等于vb，而是vc=vb＋[(vin-vb)R2]/(R2 R4)vc的第一部分vb隨著(zhù)Vin的增大而減小，而第二部分隨著(zhù)Vin的增大而增大，從而達到抵消的目的。R4的取值理論上可以根據最大輸入電壓和最小輸入電壓時(shí)vc相等來(lái)求得（R2取值已定的情況下），再在具體實(shí)驗中進(jìn)行微調，以求得到最小的限流值變化范圍。

3 實(shí)驗結果

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

表1 電路參數

圖7給出的是輸入電壓12V，電路滿(mǎn)載工作時(shí)的限流保護電路工作波形，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(mǎn)載工作時(shí)正激變換器和反激變換器限流保護電路va的波形，與圖5和圖6的理論波形也是一致的。

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

4 結語(yǔ)

本文提出的限流保護電路具有簡(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電路應用于正激和反激變換器時(shí)的工作情況，并且提出了應用于寬范圍反激變換器時(shí)的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的補償電路。對于別的拓撲需不需要附加補償電路，讀者可根據輸出電流是連續還是斷續自行分析。