星用DC-DC變換器過載保護電路的有效性分析與設(shè)計

　　引言

　　在開關(guān)電源設(shè)計中很重要的一項內(nèi)容是過載保護功能的設(shè)計，尤其是在空間領(lǐng)域，由于其高可靠、高風(fēng)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(wèi)星控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，由于多臺設(shè)備公用一個電源，因此也要求由于其中一臺設(shè)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(tǒng)則可以根據(jù)具體的配電要求設(shè)置過流保護方式等。

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

　　內(nèi)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(nèi)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(shè)計方法，以及設(shè)計驗證。

　　電流環(huán)控制方式的過流保護

　　電流型控制是雙環(huán)控制系統(tǒng)，由開關(guān)器件的峰值電流信號反饋的電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和輸出電壓信號反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構(gòu)成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級的電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)負責(zé)輸出電感的動態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。

　　電流型控制方式的PWM有多種，諸如UC1842(3、4、5)系列、UC1846、UC1825(電壓型和電流型)等，都設(shè)計了基于電流環(huán)的過流保護功能。

　　以UC1842為例，其工作原理是功率開關(guān)管由振蕩器起始導(dǎo)通，當(dāng)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(chǔ)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(chǎn)生驅(qū)動脈沖來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)閉環(huán)輸出。在過流狀態(tài)下，由于峰值電感電流斜率比較大，使得逐周比較產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖很窄，從而大大限制了功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)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，見式(1)：

　　其中：VE為誤差放大器的輸出電壓;RS電流檢測電阻。

　　但筆者根據(jù)多年工程實際驗證，僅僅依靠電流環(huán)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(jié)果比較一致，下面給出基于PWM 1845的電流環(huán)過流保護的仿真結(jié)果。仿真電路見圖1，結(jié)果見圖2?？梢钥吹竭^流后輸入平均電流為0.65A。