原创如何把电源的功率限制变为电流限制

 2012-3-23 10:33  1583 11 13 分类: 模拟

关键词：过载保护、非连续反向、峰值电流模式控制器、输出电压、变压器电感、开关频率、输出电压、峰值一次电流、脉宽调制、PWM、模拟、电源管理、半导体、德州仪器、TI

作者：Brian King，德州仪器 (TI) 应用工程师

故障保护是所有电源控制器都有的一个重要功能。几乎所有应用都要求使用过载保护。对于峰值电流模式控制器而言，可以通过限制最大峰值电流来轻松实现这个功能。在非连续反向结构中，为峰值电流设置限制可最终限制电源从输入源获得的功率。但是，限制输入功率不会限制电源的输出电流。如果出现过载故障时输入功率保持不变，则随着输出电压下降，输出电流增加（P=V*I）。发生短路故障时，这会让输出整流器或者系统配电出现难以接受的高损耗。本文利用一些小小的创新和数个额外组件，为您介绍如何对一个简单的峰值电流限制进行改进，将电源变为一个恒定电流源，而非一个恒定功率源。

图1对比了理想输出电压与恒定功率和恒定电流限制的电流。这两种情况下，过载故障保护都在120%最大额定负载时起作用。在一个使用功率限制的系统中，输出电流随负载增加电压反向而增加。在现实系统中，有功率限制的反向控制器会在某个点关闭，原因是控制器的偏压损耗。相比之下，一旦超出过载阈值，有电流限制的系统便会立刻关闭。可以通过直接检测隔离边界二次侧的负载电流，实现电流限制。但是，这样做需要使用更多的电路，效率降低，而且成本一般会高得离谱。

图 1 理想功率限制产生强电流，触发故障保护。

图2显示了移动设备充电器所使用的一个5V/5W非连续反向电源的原理图。在范例中，我们使用了UCC28C44控制器，它是大多数经济型峰值电流模式控制器的代表，拥有功率限制功能。在非连续反向结构中，如果忽略效率影响，可使用方程式1计算负载功率（P）的大小。

方程式 1

由于变压器电感（L）和开关频率（f）均固定不变，因此可以通过控制峰值一次电流（I_PK）对输出电压（V_OUT）进行调节。随着输出电流（I_OUT）增加，电压开始下降，但是反馈环路要求更高的峰值电流来维持电压调节。

图 2 这种5V/5W反向通过限制峰值变压器电流实现功率限制。

在反向转换器内部，引脚1（COMP）的反馈电压与峰值电流比较。通过R15检测该峰值电流，并使用R13和C12对其进行滤波。如果电流检测电压达到过1V，则单独过电流比较器终止脉冲。这种峰值电流限制方法与大多数脉宽调制（PWM）控制器中的功率限制过程一样。如果功率保持恒定不变，则可以将方程式1改写为方程式2。在该方程式中，我们可以清楚地看到功率限制时输出电流同输出电压成反比。

方程式2

一些控制器还包含有一个第二级比较器。峰值电流高出第一级比较器时，第二级比较器跳闸断开。这种第二级比较器触发控制器完全关闭，并发起一个重启周期。设计这种额外保护级的目的是防止电源本身发生灾难性故障，例如：短路变压器绕组或者短路输出二极管。但是，涉及短路负载的大多数情况一般都不会超出该阈值。

图3显示了输出和偏置电压与图2所示电路负载电流的对比情况。输出V-I特性非常接近于图1所示理想情况。负载电流达到约1.3A时开始功率限制。随着负载增加，输出电压开始下降。由于偏置电压是输出电压的反映，因此它也开始下降。偏置电压降至9V关闭水平以下时，PWM控制器关闭。

图 3 偏置电压降至控制器关闭阈值以下后，转换器不再提供功率限制电流。

在该例子中，尽管在负载超出1.3A时峰值电流限制激活，但是在转换器关闭以前负载电流会为额定负载的两倍以上。在某些应用中，这是不可接受的。反之，一种更加方形的V-I曲线则较为理想。负载增加超出功率限制点后偏置电压随之下降，利用这一特性，我们可以非常轻松地获得这种V-I曲线。只需增加数个组件，便可利用不断降低的偏置电压在功率限制期间折叠开关频率。这样做以后，开关频率被强制与输出电压成正比关系，如方程式3所示。将方程式3代入方程式2后我们发现，理论上讲功率限制期间输出电流不再依赖于输出电压的大小，参见方程式4.

方程式3

方程式4

用于创建这种改进型电流限制而增加的一些组件突出显示在图4所示原理图中。对内部振荡器编程，通过R10、R8和C11设置反向转换器的开关频率。一个内部5V源通过R10和R8对C11充电。随着偏置电压下降，R7和R11的电阻分压器开启Q1，并优先于内部5V源进行控制，从而降低开关频率。偏置二极管（D4）现在必须为一种双串联二极管，这样R7和R11才不会在启动期间使控制器的电流改道。需正确选择R7和R11的值，以便让Q1在正常运行期间处于关闭状态，仅在偏置电压降至约12V以下时才开启。

图 4 增加5个离散式组件可增强功率限制功能并降低最大故障电流。

添加这些组件的结果如图5所示。同前面一样，电源进入功率限制时输出电压和偏置电压均开始下降。一旦偏置电压降至足以开启Q1的程度，负载电流的任何继续增加都会使开关频率降低，其反过来又会降低供给负载的有效功率。这会加快过电流关闭过程。注意，在输出电流和输出电压之间仍然存在一定程度的相互关系，这是因为变压器内部的偏置绕组耦合和有限的Q1增益。尽管存在这些缺点，但是增加的电路还是极大地改善了V-I特性。实际上，电源现在不会向故障负载提供1.5A以上的电流。