一種簡單有效的限流保護電路設計方法介紹

摘要：提出了一種簡單有效的限流保護電路，論述了該保護電路應用于寬范圍輸入正激變換器和寬范圍輸入反激變換器時工作狀況的區別，并給出了一個適用于寬范圍輸入反激變換器的補償電路。最后的實驗結果驗證了限流保護電路及補償電路的工作原理及其有效性。

關鍵詞：過流保護；正激；反激

0 引言

過流保護電路是電源產品中不可缺少的一個組成部分，根據其控制方法大致可以分為關斷方式和限流方式。限流方式由于其具有電流下垂特性，故障解除后開關電源能自動恢復工作，因此，得到比較廣泛的應用。

限流保護電路首先要有一個電流取樣環節，目前，一般的做法是串聯一個小電阻或者是用霍爾元件來獲得電流信號。當取樣電流比較小的時候，這兩種取樣方法都是可取的。但當取樣電流比較大時，電阻取樣會有較大的損耗，降低了變換器的效率，而霍爾元件取樣其體積比較大，且價格昂貴，對整個電源的成本也是個問題。

基于以上考慮，本文提出一種簡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的缺點。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公司生產的L5991。虛線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，通過一個由D₁，R₁，C₁組成的峰值保持電路和由運放組成的PI環節得到一個誤差信號，在變換器的輸出電流超過限定值的時候，該誤差信號就會控制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，該部分電路對占空比的控制不起作用。

圖1 限流保護電路

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點電壓為v_a，B點電壓為v_b，C點電壓為v_c，圖2中流過開關管的電流為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的導通壓降是V_D1并保持不變；

2）R₁在實際電路中的作用是與C₁組成RC吸收網絡吸收尖峰，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。其一個開關周期可以分為3個工作階段。

階段1（t₀－t₁） t₀時刻v_g>0，開關管S及二極管D_R1導通，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，此時間段v_a－v_bV_D1，二極管D₁處于關斷狀態，v_b通過R₃放電，呈下降趨勢。

階段2（t₁－t₂） t₁時刻v_a－v_b>V_D1，二極管D₁開始導通，v_b隨著v_a線性上升。

階段3（t₂－t₃） t₂時刻v_g=0，S關斷，i_s=0，則v_a=0，二極管D₁關斷，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是一個波動的電壓，但是在實際電路中，由于圖1中時間常數R₃C₁取得比較大，v_b的波動很小，可以近似為一個直流電壓。

圖3 正激變換器限流保護電路理論波形

根據假定3)，電感電流的波動較小，即v_a的斜率比較小，另外V_D1較小(是因為流過二極管的電流很小，實驗中采用1N5819實測值為200mV左右)，則v_b的值近似地等于v_aD(v_a在DT時間內的平均值)。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。

我們知道，當限流保護電路工作并達到穩定狀態時，v_b=v_c=v_ref=Ki_o，此時輸出電流i_o即為限流保護值。因此，通過改變參考電壓V_ref即可改變限流保護值。

2 限流保護點補償電路

在輸出電壓一定，輸入電壓為寬范圍時，由于占空比隨著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有所不同，下面以正激和反激式變換器為例進行理論分析。

在分析之前先作一個假定：由前面分析已經知道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。