如何把电源的功率限制变为电流限制.docx

如何把电源的功率限制变为电流限制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。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（IPK）对输出电压（VOUT）进行调节。随着输出电流（IOUT）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。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.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。图 5 使用增强型功率限制电路的电源V-I曲线显示过载状态下的输出电压表现出明显的下降总之，