星用DC-DC變換器過載保護電路的有效性分析與設計

引言

在開關電源設計中很重要的一項內容是過載保護功能的設計，尤其是在空間領域，由于其高可靠、高風險、不可維修性的特殊要求，使得空間用DC-Dc變換器要具備可靠的過載保護功能。

過載保護的功能是指在負載過載情況下能有效保護DC-DC變換器不致由于過熱而損壞，即主要是控制功率MOSFET管的過載電流(輸入電流)。由于用電負載不同，對過載保護功能要求也不同。如衛星控制系統要求過載后DC-DC變換器不能斷電，因此采取限流保護：有效載荷系統要求可以在過載后Dc，Dc變換器斷電，因此采取截流保護。又如集中供電的電源系統，由于多臺設備公用一個電源，因此也要求由于其中一臺設備過載后DC-DC變換器還能正常提供輸出：而分散供電的電源系統則可以根據具體的配電要求設置過流保護方式等。

DC-Dc變換器由于和用電負載緊密結合在一起，因此引起過載的失效模式可能是內部原因，即DC-Dc變換器內部失效。也可能是外部原因，即用電負載的失效。

內部原因例如DC-Dc變換器輸出整流二極管的短路、輸出濾波電容的短路、輸出濾波共模電感兩個繞組之間的短路等。內部原因很簡單，主要是用電負載的短路、CMOS電路的閂鎖等。

本文提出了一種基于PWM的限流保護電路的設計方法，以及設計驗證。電流環控制方式的過流保護

電流型控制是雙環控制系統，由開關器件的峰值電流信號反饋的電流環(內環)和輸出電壓信號反饋的電壓環(外環)構成。功率變換部分是由電流環控制的電流源，電壓外環控制功率級的電流環。電流內環負責輸出電感的動態變化，而電壓外環只需控制輸出電容。

電流型控制方式的PWM有多種，諸如UCl842(3、4、5)系列、UCl846、UCl825(電壓型和電流型)等，都設計了基于電流環的過流保護功能。

以UCl842為例，其工作原理是功率開關管由振蕩器起始導通，當峰值電感電流達到誤差放大器輸出建立的門限電平時終止，這樣使得在逐周基礎上反饋的誤差信號控制峰值電感電流。即電流取樣信號逐周與誤差放大器的輸出電平比較，產生驅動脈沖來控制功率開關管的導通時間，從而實現閉環輸出。在過流狀態下、由于峰值電感電流斜率比較大，使得逐周比較產生的驅動脈沖很窄，從而大大限制了功率開關管的導通時間，實現了限流保護，是一種峰值電流控制方式。其峰值電感電流受誤差放大器輸出電壓的控制，其中：v為誤差放大器的輸出電壓；艮電流檢測電阻。

但筆者根據多年工程實際驗證，僅僅依靠電流環控制方式的過流保護不能有效的限制輸入電流，電路仿真和試驗測試結果比較一致，下面給出基于PWM 1845的電流環過流保護的仿真結果。仿真電路見圖1，結果見圖2。可以看到過流后輸入平均電流為0.65A。

用電流采樣信號控制PWM誤差放大器反向輸入端的過流保護

為了有效實現過流后限制輸入電流，設計了一種用電流采樣信號控制PWM誤差放大器反向輸入端的過流保護電路，如圖3所示。

電路基本工作原理如下：圖3中的三極管V2接成射極跟隨器形式，電流互感器采得的輸出端的電流信號作為控制信號來控制V2。正常輸出時，電流取樣信號電壓很低，使得射隨器輸出電壓低于誤差放大器反向輸入端(反饋端)設定電平，圖3所示的過流保護電路不影響Dc-DC變換器的正常輸出特性。當輸出過流時，電流取樣信號電壓增大，使得射隨器輸出電壓高于誤差放大器反向輸入端設定電平，誤差放大器輸出電壓ve降低，PWM的驅動信號變窄，使輸出電壓降低，輸入電流最終穩定在某一個值上。仿真電路見圖4，結果見圖s。可以看到過流后輸入平均電流為0.157A。

用電流采樣信號控制PWM誤差放大器輸出端的過流保護

從上述電路可以看出，相較于直接利用PWM電流環的過流保護，輸入電流有明顯降低，但源端仍有0.157A的電流，主要原因是該控制方式是平均電流控制方式。過流控制信號是將輸出電流取樣并整流成直流信號，通過誤差放大器輸入端參與比較形成驅動脈沖。因此當過載時，經過數個周期積累周后形成的過流控制信號輸入到誤差放大器反向輸入端，使得誤差放大器輸出為低電平，此時無驅動脈沖輸出，電源輸出降低；又經過數個周期后，由于電源輸出降低，過流控制信號也降低，此時又產生驅動脈沖輸出，使電源輸出升高。如此周而復始，使電源間歇振蕩輸出，從圖5中也可以看出，輸入電流也是間歇振蕩波形。

為了進一步優化過流保護方式，將圖3所示的過流保護電路改進如下：將控制管v2的集電極接到誤差放大器的輸出端，射級接地。如圖6所示。

電路基本工作原理如下：當DC－Dc變換器工作于正常閉環狀態時，PWM誤差放大器工作在線性放大區，其輸出電平取決于輸入誤差信號電平和放大器的增益。圖6中的三極管V2工作在截至區，圖6所示的過流保護電路不影響正常DC-DC變換器的正常輸出特性。

當DC-DC變換器工作于過流狀態時，誤差放大器工作在飽和區。由于誤差放大器不是理想運放，因此輸出電阻不為零，因此將其簡化為一個含內阻的電壓源。三極管v2工作在線性放大區，可以將其簡化為受控可變電阻(Re)，因此圖6可以簡化為圖7所示的原理圖。當輸出過流后，過流采樣信號升高，導致I增大，使得V2的I增大，由于誤差放大器內阻的存在，使誤差放大器的輸出電壓V降低，這樣就使PWM的驅動信號變窄，使輸出電壓降低，限制了輸入電流。

仿真電略見圖8，結果見圖9。