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星用DCDC变换器过载保护电路的有效性分析与设计

发布时间:2020-06-30 20:27:09 阅读: 来源:分级机厂家

引言

本文引用地址:在开关电源设计中很重要的一项内容是过载保护功能的设计,尤其是在空间领域,由于其高可靠、高风险、不可维修性的特殊要求,使得空间用DC-DC变换器要具备可靠的过载保护功能。

过载保护的功能是指在负载过载情况下能有效保护DC-DC变换器不致由于过热而损坏,即主要是控制功率MOSFET管的过载电流(输入电流)。由于用电负载不同,对过载保护功能要求也不同。如卫星控制系统要求过载后DC-DC变换器不能断电,因此采取限流保护;有效载荷系统要求可以在过载后DC-DC变换器断电,因此采取截流保护。又如集中供电的电源系统,由于多台设备公用一个电源,因此也要求由于其中一台设备过载后DC-DC变换器还能正常提供输出;而分散供电的电源系统则可以根据具体的配电要求设置过流保护方式等。

DC-DC变换器由于和用电负载紧密结合在一起,因此引起过载的失效模式可能是内部原因,即DC-DC变换器内部失效。也可能是外部原因,即用电负载的失效。

内部原因例如DC-DC变换器输出整流二极管的短路、输出滤波电容的短路、输出滤波共模电感两个绕组之间的短路等。内部原因很简单,主要是用电负载的短路、CMOS电路的闩锁等。

本文提出了一种基于PWM的限流保护电路的设计方法,以及设计验证。

电流环控制方式的过流保护

电流型控制是双环控制系统,由开关器件的峰值电流信号反馈的电流环(内环)和输出电压信号反馈的电压环(外环)构成。功率变换部分是由电流环控制的电流源,电压外环控制功率级的电流环。电流内环负责输出电感的动态变化,而电压外环只需控制输出电容。

电流型控制方式的PWM有多种,诸如UC1842(3、4、5)系列、UC1846、UC1825(电压型和电流型)等,都设计了基于电流环的过流保护功能。

以UC1842为例,其工作原理是功率开关管由振荡器起始导通,当峰值电感电流达到误差放大器输出建立的门限电平时终止,这样使得在逐周基础上反馈的误差信号控制峰值电感电流。即电流取样信号逐周与误差放大器的输出电平比较,产生驱动脉冲来控制功率开关管的导通时间,从而实现闭环输出。在过流状态下,由于峰值电感电流斜率比较大,使得逐周比较产生的驱动脉冲很窄,从而大大限制了功率开关管的导通时间,实现了限流保护,是一种峰值电流控制方式。其峰值电感电流受误差放大器输出电压的控制,见式(1):

其中:VE为误差放大器的输出电压;RS电流检测电阻。

但笔者根据多年工程实际验证,仅仅依靠电流环控制方式的过流保护不能有效的限制输入电流,电路仿真和试验测试结果比较一致,下面给出基于PWM 1845的电流环过流保护的仿真结果。仿真电路见图1,结果见图2。可以看到过流后输入平均电流为0.65A。

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