一種適用于寬范圍輸入的Boost Buck-Boost Flyback變換器的改進(jìn)型限流保護(hù)電路

1??? 概述

??? DC/DC變換器限流保護(hù)電路取樣電流主要有兩種方法：一是霍爾元件取樣，但是成本較高；二是小電阻取樣，但是當(dāng)取樣電流較大時(shí)會(huì)遇到很大的困難。圖1所示的限流保護(hù)電路可以解決小電阻取樣大電流的困難，同時(shí)成本也不高。此電路適用于變換器工作在CCM模式。圖2給出了該限流保護(hù)電路的主要工作波形。圖中V_D1為二極管D₁的導(dǎo)通壓降，v_a及v_b分別為A及B點(diǎn)電壓。v_b在實(shí)際電路中波動(dòng)很小，相當(dāng)于一個(gè)直流電壓，它的值近似為V_amax－V_D1。v_b隨著i_in的增大而增大，當(dāng)v_b達(dá)到V_ref時(shí)，限流保護(hù)電路開(kāi)始工作，電路處于限流保護(hù)狀態(tài)。

圖1??? 帶限流保護(hù)電路的PWM控制電路

圖2??? 限流保護(hù)電路主要工作波形

2??? 應(yīng)用于Boost Buck-Boost Flyback拓?fù)鋾r(shí)限流保護(hù)電路分析

??? 限流保護(hù)電路取樣流過(guò)二極管電流i_D，如圖3(a)、(b)、(c)所示。之前在概述中已經(jīng)提到：v_b=v_amax－V_D1，這樣有：

??? v_b=V_amax－V_D1=i_DmaxnR－V_D1（1）

式中：n為電流互感器原副邊匝數(shù)比。

??? 對(duì)于Boost，Buck-Boost，F(xiàn)lyback變換器有：

??? i_Dmax=(1－D)T（2）

將式（2）代入式（1）有：

??? v_b=(1－D)T－V_D1（3）

??? v_b隨著i_o的增大而增大，當(dāng)v_b增大到等于V_ref時(shí)，i_o被限定在最大值I_omax即為限流值。

??? I_omax=（4）

??? 在實(shí)際電路中，變換器工作在CCM模式，電感L設(shè)計(jì)得較大，而且二極管壓降V_D1很小（流過(guò)電流很小），這樣，為方便分析，式（4）可以近似為

??? I_omax=（5）

??? 式（5）中，n，R為定值。若取定一個(gè)V_ref值，由于占空比D隨著輸入電壓的增大而減小，因此，根據(jù)式（5）限流值將隨著輸入電壓的增大而增大。比較圖3（d）及圖3（e）也可以清楚地看到限流值隨輸入電壓的變化。

(a)??? Boost變換器

(b)??? Buck-Boost變換器

(c)??? Flyback變換器

(d)最小輸入電壓時(shí)限流保護(hù)電路工作波形(e)最大輸入電壓時(shí)限流保護(hù)電路工作波形

圖3??? 各變換器及其寬范圍輸入時(shí)限流保護(hù)電路工作波形

3??? 改進(jìn)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

??? 在具體實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，限流保護(hù)值隨著輸入電壓變化的幅度較大（這個(gè)從圖4中就可以看到），給限流保護(hù)的精度帶來(lái)了一定的影響，因此，需要采取一定的措施來(lái)減小它的變化范圍。

??? 改進(jìn)方案主要有兩種：一是讓參考電壓V_ref跟隨輸入電壓的變化而反向變化；二是給比較器負(fù)端一個(gè)補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓應(yīng)隨輸入電壓同向變化。

??? 本文采用了輸入電壓作為補(bǔ)償信號(hào)的方法。輸入電壓通過(guò)一個(gè)電阻R4接到比較器負(fù)端（圖1中的C點(diǎn)），此時(shí)限流保護(hù)電路工作并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有：

??? V_ref=v_b＋（6）

式（6）中的v_b即為式（5）中的V_ref，將式（5）代入式（6）有：

??? I_omax=(V_refR₂＋V_refR₄－V_inR₂)（7）

??? 參考電壓V_ref可以根據(jù)未加補(bǔ)償時(shí)的限流值先確定一個(gè)數(shù)值，使未加補(bǔ)償時(shí)的最小限流值比需要的限流值略大，因?yàn)榧友a(bǔ)償以后，補(bǔ)償值會(huì)抵消一部分的限流值，見(jiàn)圖4。

??? R₄的取值理論上可以根據(jù)最大輸入電壓和最小輸入電壓時(shí)限流值相等來(lái)求得，各種拓?fù)淙≈挡煌?。以Boost為例，假定最大輸入電壓V_in2，最小輸入電壓V_in1，相對(duì)應(yīng)的限流值分別為i_omax2和i_omax1。令i_omax2=i_omax1，另外有：

??? D=1－(V_in/V_o)（8）

??? 代入式（7）得

??? －1（9）

??? R₂的取值由PI環(huán)節(jié)的要求設(shè)定，則R₄可由式（9）得到，再在具體實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行微調(diào)，以求得到最小的限流值變化范圍。

??? 限流值整體的大小變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)V_ref實(shí)現(xiàn)。V_ref調(diào)整以后，R₄也要做相應(yīng)的調(diào)整。

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 一個(gè)帶有限流保護(hù)電路和補(bǔ)償電路的Flyback變換器驗(yàn)證了上述的理論結(jié)果，其電路規(guī)格和主要參數(shù)如下：

??? 輸入電壓V_in??? 9～15V；

??? 輸出電壓V_o??? 5V；

??? 輸出功率P_o??? 35W；

??? 工作頻率f??? 100kHz。

??? 圖4給出了反激變換器限流保護(hù)電路補(bǔ)償前和補(bǔ)償后實(shí)測(cè)限流值隨輸入電壓變化的曲線。限流值在補(bǔ)償前隨輸入電壓的變化有較大的波動(dòng)，而加了補(bǔ)償電路之后限流值的穩(wěn)定性有了明顯的改善，證明了該補(bǔ)償電路的有效性。

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文分析了一種限流保護(hù)電路應(yīng)用于寬范圍輸入的Boost，Buck-Boost，F(xiàn)lyback拓?fù)鋾r(shí)的工作狀況，并提出了一種改進(jìn)方案用于克服限流保護(hù)點(diǎn)隨輸入電壓變化而波動(dòng)過(guò)大的缺點(diǎn)。該方案簡(jiǎn)單有效，大大提高了寬范圍輸入的Boost，Buck-Boost，F(xiàn)lyback變換器限流保護(hù)點(diǎn)的精確度和穩(wěn)定度。