開關(guān)電源的過載保護電路設(shè)計_圖文

1、2009年7月25日第26卷第4期Telecom Power Technology J ul. 25, 2009, Vol. 26No. 4 收稿日期:2009204222作者簡介:劉雪山(19812 , 男, 吉林松原人, 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生, 研究方向為開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用。楊靜(19832 , 女, 重慶南川人, 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生, 研究方向為開關(guān)電源技術(shù)及其品質(zhì)保證技術(shù)。文章編號:100923664(2009 0420045204設(shè)計應(yīng)用開關(guān)電源的過載保護電路設(shè)計劉雪山1, 楊靜1, 張鴻儒2(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 四川成都610031; 2

2、. 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川成都610031 摘要:基于UC 3842的反激式開關(guān)電源, 文中從原理和實驗兩方面分析了恒功率控制和恒電流控制的過載保護電路, 闡述了各自的特點, 并提出了一種適用于短暫過載場合的延時鎖定關(guān)斷過載保護電路, 實驗證明此電路工作于保護模式時開關(guān)元件無開關(guān)應(yīng)力, 為高峰值負載電源過載保護電路的設(shè)計提供了一種有效的方法。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源; 打嗝模式; 開關(guān)應(yīng)力; 鎖定保護; 中圖分類號:TN 86, TM 46文獻標識碼:ADesign of Over Load Protection Circuit for Switching Mode Power Sup

3、plyL IU Xue 2shan , YAN G Jing , ZHAN G Hong 2ru(1. School of Electrical Engineering , Southwest Jiaotong , , ; 2. School of Information Science &Technology , Southwest , China Abstract :Based on fly 2back converter with UC 3842, of constant power control and constant current control are analyze

4、d from characteristics of these two overload protection circuits are presented. A for transient overload is proposed. Experi 2ment results verify that stress in protection mode , which provides an effective method to for mode power supply with high peak load.Key ; ; switching stress ; latch protecti

5、on0引言電源在一個典型的系統(tǒng)中擔當著非常重要的角色, 從某種程度上可以看成系統(tǒng)的心臟。電源在給系統(tǒng)電路提供持續(xù)、穩(wěn)定能量的同時, 還要能使系統(tǒng)免受外部及內(nèi)部的侵擾和損害, 如浪涌電流、雷擊電流以及系統(tǒng)故障引起的電源損壞等, 這就需要各種保護電路1。開關(guān)電源設(shè)計中, 對負載的保護以及因負載失效而對電源的保護是設(shè)計中需要考慮的很重要的方面, 選擇合適的保護電路, 將它們結(jié)合在一起, 會使產(chǎn)品性能得到提高1。本文基于UC 3842的反激式開關(guān)電源從原理和實驗上分析了恒功率控制和恒電流控制的過載保護電路, 闡述了各自的特點及應(yīng)用場合, 并提出了一種適用于短暫過載場合的延時鎖定關(guān)斷過載保護電路。實驗證

6、明此電路工作于保護模式時開關(guān)元件幾乎無開關(guān)應(yīng)力, 為高峰值負載電源過載保護電路設(shè)計提供了一種有效的方法。1恒功率控制過載保護電路UC 3842控制的電流型反激式開關(guān)電源原理圖如圖1所示, 它采用雙環(huán)控制模式, 一個是檢測輸出電壓的電壓外環(huán), 一個是檢測開關(guān)電流的電流內(nèi)環(huán), 而與電流內(nèi)環(huán)并行的是逐周期限流的功率限制模塊2, 3。其中U in 為全電壓范圍全橋整流后的直流電壓, U th 對應(yīng)PWM 芯片的限制功率點, 由于齊納二極管Z 1的作用, U th 的電壓值鉗位在1V , 使電感峰值電流受到限制, 進而實現(xiàn)功率限制。當輸出負載達到功率限制點后, 隨著負載電流的繼續(xù)增大, 輸出電壓將降低,

7、 進入恒功率控制階段; 由于提供給控制芯片供電的輔助電源電壓反映輸出電壓4, 當輸出電壓降低到一定程度, 輔助電源將不能維持IC 正常供電, 電源將做重復(fù)的關(guān)斷重啟動作, 進入打嗝模式(Hiccup -mode 1保護階段; 負載恢復(fù)正常后, 電源恢復(fù)正常工作。根據(jù)上述原理可知圖2所示的恒功率控制過載保護電路輸出電壓與輸出電流關(guān)系。圖1電流型恒功控制反激式開關(guān)電源原理簡圖值得注意的是, 從開關(guān)電流取樣至開關(guān)管Q 1關(guān)54 2009年7月25日第26卷第4期Telecom Power Technology J ul. 25, 2009, Vol. 26No. 4 斷存在傳輸延遲, 包括控制芯片從

8、電流取樣輸入至輸出的傳輸延遲(UC 3842的典型值是150ns 5 、開關(guān)管Q 1的關(guān)斷延遲以及用于消除開關(guān)電流前沿尖峰的濾波電路造成的延遲。這段延遲時間會使在全電壓范圍工作(90264Vac 的開關(guān)電源低壓工作與高壓工作的最大功率點不一致, 實際應(yīng)用中需要加入輸入電壓補償電路進行補償, 以減小高輸入電壓與低輸入電壓時最大功率點的差異6。如圖1所示,即該電路通過補償電阻R P 、R S 2對偵測的開關(guān)電流信號疊加一個隨輸入電壓變化的直流分量來實現(xiàn)補償作用2。實際應(yīng)用中, R S 2取值為1k 左右, 以保證R P 的取值足夠大以及對控制IC 進行保護。下面將分別介紹不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM 、

9、連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM 兩種情況下R P 與R S 1的求法。圖3為分別在兩種模式下補償后的開關(guān)電流波形圖。其中, I th 為UC 3842的最大電流取樣輸入門限, 其值為U th 與檢測電阻R S 1的比值, I CL 、I CH 為低壓與高壓輸入時的補償電流, t d 為從開關(guān)電流取樣輸入至開關(guān)管Q 1關(guān)斷的傳輸延遲, I PH 電壓時的開關(guān)電流峰值, I PL 流峰值。 1. 1DCM 模式由圖1和圖3(a 可知, 在DCM 模式下, 有:I CL =R P +R S1+R S2(1 I CH=R P +R S1+R S2(2U th =I CL R S2+I CL +P f R S1(

10、3 L P t d -I CL =L Pt d -I CH(4式中, P o 為補償后高壓與低壓輸出的平衡功率; L P 為原邊主線圈感值; f 為開關(guān)頻率;為電源效率。由式(1 (4 即可求出DCM 下R S 1, R P 的阻值。1. 2CCM 模式由圖1和圖3(b 可知, 在CCM 模式下, 有:U th =I CL R S2+2L P f (U in min +N U o +U in min +N U o R S1(5I th+L Pt d -I CL2-U in min N o -2L P f (U in min +N U o 2=I th+L Pt d -I CH2-U N U o

11、 -f (in min +N U o 2(6N ; U o 為電源輸1 2 , ( , (6 即可求出CCM 下R S 1, R P 。, 此種保護策略只需要輸入電壓補償外圍電路就能實現(xiàn)在寬輸入電壓范圍內(nèi)對電源的恒功率控制, 是一種低成本的過載保護策略。當電源嚴重過載或短路時會進入打嗝保護模式進行保護, 在開關(guān)電源的整個工作壽命期間, 電源啟動這段時間承受的開關(guān)應(yīng)力較大, 是最易發(fā)生損壞的1, 這也是打嗝保護模式的缺點所在。由于輔助電源的變化反映輸出變化, 一定程度上受變壓器漏感的影響4, 所以此種保護方式需要輔助電源線圈與輸出線圈有較好的耦合。2恒電流控制過載保護電路與恒功率控制過載保護電路

12、不同的是此類型的保護電路是通過檢測取樣電阻上的電壓, 并與參考電壓比較來實現(xiàn)1。圖4所示為恒電流控制型保護電路原理圖。當輸出電流達到電流保護值之前, 電源工作在恒壓控制階段; 當輸出電流達到電流保護值時, 進入恒電流控制階段, 負載再增大, 輸出電流將被限制住, 輸出電壓降低; 隨著負載繼續(xù)增大, 輸出電壓繼續(xù)降低, 提供給IC 供電的輔助電源電壓將不能維持IC 正常供電, 電源會進入打嗝模式。故障消失后, 電源恢復(fù)正常工作。輸出電流限制值:I o max =(R 3+R 4 R S2(7實際應(yīng)用中, 電流取樣電阻R S 2采用阻值較低的錳銅線電阻, 以保證不在取樣電阻上產(chǎn)生太大損耗。Op 2

13、用來產(chǎn)生誤差信號調(diào)節(jié)PWM 信號的脈寬用來實現(xiàn)恒壓控制,Op 1用來實現(xiàn)恒流控制。有專用的芯片如TSM 103可實現(xiàn)Op 1,Op 2的功能。恒電流控制過載保護電路廣泛應(yīng)用于給電池充電的場合, 輸出電壓與電流的關(guān)系曲線如圖5所示。由于此種類型的保護64 劉雪山等:開關(guān)電源的過載保護電路設(shè)計Telecom Power TechnologyJ ul. 25, 2009, Vol. 26No. 4電路也會進入打嗝保護模式, 此時的開關(guān)應(yīng)力較大。 3復(fù)狀態(tài), 其中打嗝保護模式就是一種可恢復(fù)的保護方式。在某些高峰值負載應(yīng)用場合, 如打印機電源等, 在平均負載電流不超過額定電流以及元件能承受的電流與電壓應(yīng)

14、力允許的前提下, 電源在短時間內(nèi)可以允許過載工作, 但過載工作時間過長電源系統(tǒng)則認為負載設(shè)備發(fā)生嚴重故障, 此時需要電源關(guān)斷并鎖定, 以實現(xiàn)對負載設(shè)備的保護以及對電源本身的保護?；诖? 本文提出一種延時鎖定保護電路。UC 3842以輸出補償引腳作為反饋信號輸入時, 此腳的電壓會隨負載的增加而不斷上升, 當達到最大功率點時, 此時輸出補償引腳的電壓約為5V , 見圖1。所以可以在原邊用COM P 腳的電壓來控制過功率點, 如圖6所示, 當COM P 腳電壓達到功率設(shè)置點電壓時Op 1輸出高電平, 通過R 11給C 4充電, 當充到R 10上的分壓值時Op 2輸出高電平, 使Q 2導(dǎo)通, 由于Q

15、 1、Q 2強烈的正反饋作用使等效SCR 電路持續(xù)導(dǎo)通7, 通過Q 2把COM P 腳電壓拉低同時鎖定電源, 只有當AC 重新再接入時才能恢復(fù)。延時時間T delay 可由下式來確定:T delay =-R 11C 4ln 1-(R 9+R 10 U OPmax(8式中, U OP max 為運放輸出的最大電壓。在不同的應(yīng)用場合, 可對延遲時間進行調(diào)整, 也適用于不延遲保護的場合。由于此種保護方式保護后輸出電壓與電流近似為零, 開關(guān)元件不工作, 不承受開關(guān)應(yīng)力, 因此鎖定關(guān)斷的保護方式是一種相對安全的保護方式。圖6鎖定關(guān)斷型保護電路4實驗結(jié)果, 設(shè)計了一臺UC , 分別應(yīng)用恒功率三種7所示。7

16、4 2009年7月25日第26卷第4期Telecom Power Technology J ul. 25, 2009, Vol. 26No. 4 如圖7(c 所示, 延時鎖定關(guān)斷過載保護電路在瞬時過載區(qū)由于過載時間在電源設(shè)定的過載延遲時間之內(nèi), 所以電源沒有關(guān)斷鎖定, 但是一旦過載時間過長電源將被鎖定。通過與圖7(a 和圖7(b 保護策略的比較發(fā)現(xiàn), 恒功率過載保護和恒電流過載保護在打嗝區(qū)輸出電流瞬時值較大, 開關(guān)元件的電流應(yīng)力較大, 而鎖定關(guān)斷過載保護電路在鎖定區(qū)輸出電壓與電流幾乎為零, 開關(guān)元件不工作, 所以無開關(guān)應(yīng)力, 有利于對負載設(shè)備的保護以及對電源本身的保護。5結(jié)論在不同的應(yīng)用場合,

17、 選擇合適的保護策略, 可以使產(chǎn)品的性能得到提高。本文基于UC 3842控制的反激式開關(guān)電源從原理和實驗上分析了恒功率控制和恒電流控制的過載保護電路, 闡述了各自的特點, 并提出了一種適用于短暫過載場合的延時鎖定過電流保護電路。實驗證明了此方法可以定時過載, 并且保護時開關(guān)元件無開關(guān)應(yīng)力, 計提供了一種有效的方法。參考文獻:1Marty Brown (英 著, 徐德鴻譯. 開關(guān)電源設(shè)計指南M .北京:機械工業(yè)出版社, 2004. 2劉國. 開關(guān)電源適配器的輸出過載保護電路設(shè)計J.電源技術(shù)應(yīng)用, 2007, 10(12 :25229. 3謝云寧, 夏建新. 電流模式反激變換器中功率限制電路的設(shè)計

18、J.現(xiàn)代電子技術(shù), 2007, (14 :1822184. 4王慶義, 胡榮強, 王闖端. 基于UC 3842的開關(guān)電源保護電路的改進J.電源技術(shù)應(yīng)用, 2005, 8(6 :44246.5Texas Instruments Incorporated. UC 3842/3/4/5provideslow -cost current -mode control Z.Unitrode Applica 2tion Note. 1999. 6李海松, 劉佑寶. 初級反饋AC/轉(zhuǎn)換器的高低壓OCP補償電路設(shè)計J. , 2008, 47(Z 1 :. 7. M .成都:西南交通大學(xué), 2004.(上接第44

19、頁, 據(jù)傳輸將是U 。如當前WL AN 和WPAN 的各種應(yīng)用。此外, 通過降低數(shù)據(jù)率提高應(yīng)用范圍, 具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低, 能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點, 在軍事上有極大的應(yīng)用價值。如U WB 雷達、U WB L PI/D 無線內(nèi)通系統(tǒng)(預(yù)警機、艦船等 、戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡(luò)的PL I/D 電臺、警戒雷達、UAV/U GV 數(shù)據(jù)鏈、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體等。在民用方面,U WB 用于U WB 地波通信系統(tǒng)、防撞雷達(民航 、防撞感應(yīng)器、WLAN 、WPAN 中, 包括Ad hoc 無線網(wǎng)絡(luò)、高速(20Mbit/s WL AN

20、 、WPAN 等。U WB 可用于數(shù)字電視、投影機、攝錄一體機、PC 機、機頂盒之間傳輸可視文件和數(shù)據(jù)流, 或者筆記本電腦和外圍設(shè)備之間實現(xiàn)局部連接構(gòu)成個人局域網(wǎng)。伴隨著U WB 對民用無線通信領(lǐng)域的開放, 美國等發(fā)達國家的半導(dǎo)體廠商和設(shè)備制造商都在加緊研究開發(fā)實用系統(tǒng)。目前, Intel 、Sony 、Siemens 等業(yè)界知名廠商也對U WB 技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣。此外, 美國的Time Domain 、Multispect ral 等公司正在進行U WB 產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn),U WB 芯片組的商業(yè)化產(chǎn)品呼之欲出。5結(jié)束語U WB 寬帶技術(shù)在無線通信方面的創(chuàng)新性、利益性已引起了全球業(yè)界的關(guān)注。與藍牙、802. 11b 、802. 15等無線通信相比, U WB 可以提供更快、更遠、更寬的傳輸速率。在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個人網(wǎng)絡(luò)方面極大地提高了一般消費者和專業(yè)人員的適應(yīng)性和滿意度。鑒于其在短距離無線通信領(lǐng)