一种简单有效的限流保护电路设计方法介绍

0    引言

    过流保护电路是电源产品中不可缺少的一个组成部分，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式。限流方式由于其具有电流下垂特性，故障解除后开关电源能自动恢复工作，因此，得到比较广泛的应用。

    限流保护电路首先要有一个电流取样环节，目前，一般的做法是串联一个小电阻或者是用霍尔元件来获得电流信号。当取样电流比较小的时候，这两种取样方法都是可取的。但当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率，而霍尔元件取样其体积比较大，且价格昂贵，对整个电源的成本也是个问题。

    基于以上考虑，本文提出一种简单有效的限流保护电路，克服了以上两种方式取样大电流时的缺点。它适用于正激、反激等各种变换器，而且成本也比较低。

1    限流保护电路工作原理

    图1中虚线框外的电路是普通的峰值电流方式的PWM控制电路，利用电流互感器取样峰值电流。图中所示的PWM芯片是ST公司生产的L5991。虚线框内是本文所提出的限流保护电路。它利用峰值电流控制中的电流信号作为输入信号，通过一个由D₁，R₁，C₁组成的峰值保持电路和由运放组成的PI环节得到一个误差信号，在变换器的输出电流超过限定值的时候，该误差信号就会控制PWM芯片的占空比，从而使输出电流保持在限定值。由于D₂存在，当输出电流低于限流值时，该部分电路对占空比的控制不起作用。

图1    限流保护电路

    下面以正激变换器为例，阐述限流保护电路的工作原理。

    正激变换器如图2所示。设图1中A点电压为v_a，B点电压为v_b，C点电压为v_c，图2中流过开关管的电流为i_s，电感电流为i_L，输出电流为i_o。电流取样变压器原边电流，即流过开关管的电流i_s。并作以下假定：

图2    正激变换器

    1）二极管D₁的导通压降是V_D1并保持不变；

    2）R₁在实际电路中的作用是与C₁组成RC吸收网络吸收尖峰，这里假定为零；

    3）正激变换器电感L电感量较大，电路工作在CCM模式且电感电流波动较小。

    则正激变换器限流保护电路的理论工作波形如图3所示。其一个开关周期可以分为3个工作阶段。

    阶段1（t₀－t₁）    t₀时刻v_g>0，开关管S及二极管D_R1导通，i_L线性上升，所以，原边电流i_s也线性上升，v_a也随之上升，此时间段v_a－v_bD1，二极管D₁处于关断状态，v_b通过R₃放电，呈下降趋势。

    阶段2（t₁－t₂）    t₁时刻v_a－v_b>V_D1，二极管D₁开始导通，v_b随着v_a线性上升。

    阶段3（t₂－t₃）    t₂时刻v_g=0，S关断，i_s=0，则v_a=0，二极管D₁关断，v_b通过R₃放电，直到下一周期的到来。

    从图3中可以看到v_b是一个波动的电压，但是在实际电路中，由于图1中时间常数R₃C₁取得比较大，v_b的波动很小，可以近似为一个直流电压。

图3    正激变换器限流保护电路理论波形

    根据假定3)，电感电流的波动较小，即v_a的斜率比较小，另外V_D1较小(是因为流过二极管的电流很小，实验中采用1N5819实测值为200mV左右)，则v_b的值近似地等于v_aD(v_a在DT时间内的平均值)。从图3中可以看到V_aD与输出电流i_o成正比，也即v_b近似与输出电流i_o成正比，假定v_b=Ki_oK为常数。

    我们知道，当限流保护电路工作并达到稳定状态时，v_b=v_c=v_ref=Ki_o，此时输出电流i_o即为限流保护值。因此，通过改变参考电压V_ref即可改变限流保护值。

2    限流保护点补偿电路

    在输出电压一定，输入电压为宽范围时，由于占空比随着输入电压的变化而变化，应用于不同的拓扑，限流保护电路的工作情况会有所不同，下面以正激和反激式变换器为例进行理论分析。

    在分析之前先作一个假定：由前面分析已经知道v_b的值近似等于v_aD，在此令v_b=v_aD，并且在以下的波形图中都以直流电压出现。

2.1    正激变换器

    根据限流保护电路的工作原理及以上假定，则有

    v_b=v_aD=i_sDn₂R=    （1）

    i_o=    （2）

式中：i_sD为i_s在DT时间内的平均值；

      n₁为变压器原副边匝数比；

      n₂为电流互感器原副边匝数比；

      i_Lo为电感电流一个周期内的平均值。

当限流保护电路工作并达到稳定状态时，v_b=v_c=V_ref，i_o即为限流保护值i_omax。则

    i_omax=    （3）

    从式（3）中可以看到，n₁，n₂，R为常数，在V_ref一定的条件下，i_omax是个恒定值，并不随输入电压的变化而变化。

[page]2.2    反激变换器

    反激变换器如图4所示，同样有

    v_b=v_aD=i_sDn₂R=i_Lon₂R=    （4）

    i_o=    （5）

式中：i_Lo为电感电流一个周期内的平均值（反激变换器的电感即变压器原边励磁电感）；

      i_DD′为流过副边二极管D的电流i_D在(1－D)T时间内的平均值。

图4    反激变换器

又有    V_out=    （6）

推出    D=    （7）

将式（7）代入式（5）得

    i_o=    （8）

    当限流保护电路工作并达到稳定状态时，v_b=v_c=V_ref，i_o即为限流保护值i_omax。则

    i_omax=    （9）

    从式（9）中可以看到，n₁，n₂，R为常数，在V_out及V_ref一定的条件下，i_omax随着V_in的增大而增大。

    比较式（1）和式（4）可以发现：在v_b一定时（即限流保护电路工作并达到稳定状态时参考电压V_ref一定），不管是正激变换器还是反激变换器，电感电流平均值i_Lo都不随输入电压的变化而变化。造成两者区别的关键在于：正激变换器的输出电流是连续的而反激变换器的输出电流是断续的。对于正激变换器来说i_o=i_Lo，而对于反激变换器来说i_o=n₁（1－D）i_Lo。由于在输出电压一定时，占空比D会随着输入电压的变化而变化，因此，反激变换器的限流值将会随着输入电压的变化而变化。

    图5和图6分别给出了假定i_o不变时，不同输入电压正激变换器和反激变换器限流保护电路的理论波形，图中输入电压V_in2>V_in1。

图5    不同输入电压正激变换器限流保护电路理论波形

图6    不同输入电压反激变换器限流保护电路理论波形

[page]    根据以上分析可知，当参考电压恒定时，正激变换器限流值也是恒定的，跟输入电压没有关系。这里需要指出的是：以上的理论分析是基于v_b=v_aD的假定，当输入电压变化时，v_b=v_aD的近似程度也会不同，所以，实际上正激变换器限流值

    也会随着输入电压的变化而变化，只是波动很小，这个在之后的实验结果中可以看到。

    反激变换器限流值随着输入电压的变化而有较大变化，因此，需要采用一定的措施来进行补偿，使限流值的变化在可以接受的范围之内。从式（9）中可知限流值随着输入电压的增大而增大，也即假定限流值不变的话，v_b随着输入电压的增大而减少。因此，需要对v_b作一定的补偿，补偿电压应随着输入电压的增大而增大，从而来抵消v_b的变化。用输入电压来作为补偿信号是一种可以选用的方法。输入电压通过一个电阻接到图1的C点，如图4虚线所示，此时限流保护电路工作并达到稳定状态时，v_c不再等于v_b，而是

    v_c=v_b＋