如何把電源的功率限制變為電流限制?

2021-01-08 OFweek維科網

故障保護是所有電源控制器都有的一個重要功能。幾乎所有應用都要求使用過載保護。對於峰值電流模式控制器而言，可以通過限制最大峰值電流來輕鬆實現這個功能。在非連續反向結構中，為峰值電流設置限制可最終限制電源從輸入源獲得的功率。

但是，限制輸入功率不會限制電源的輸出電流。如果出現過載故障時輸入功率保持不變，則隨著輸出電壓下降，輸出電流增加（P＝V＊I）。發生短路故障時，這會讓輸出整流器或者系統配電出現難以接受的高損耗。本文利用一些小小的創新和數個額外組件，為您介紹如何對一個簡單的峰值電流限制進行改進，將電源變為一個恆定電流源，而非一個恆定功率源。

圖1對比了理想輸出電壓與恆定功率和恆定電流限制的電流。這兩種情況下，過載故障保護都在120％最大額定負載時起作用。在一個使用功率限制的系統中，輸出電流隨負載增加電壓反向而增加。在現實系統中，有功率限制的反向控制器會在某個點關閉，原因是控制器的偏壓損耗。相比之下，一旦超出過載閾值，有電流限制的系統便會立刻關閉。可以通過直接檢測隔離邊界二次側的負載電流，實現電流限制。但是，這樣做需要使用更多的電路，效率降低，而且成本一般會高得離譜。

圖2 顯示了行動裝置充電器所使用的一個5V／5W 非連續反向電源的原理圖。在範例中， 我們使用了UCC28C44 控制器，它是大多數經濟型峰值電流模式控制器的代表，擁有功率限制功能。在非連續反向結構中，如果忽略效率影響，可使用方程式1 計算負載功率（P）的大小。

由於變壓器電感（L）和開關頻率（f）均固定不變，因此可以通過控制峰值一次電流（IPK）對輸出電壓（VOUT）進行調節。隨著輸出電流（IOUT）增加，電壓開始下降，但是反饋環路要求更高的峰值電流來維持電壓調節。

在反向轉換器內部，引腳1（COMP）的反饋電壓與峰值電流比較。通過R15 檢測該峰值電流，並使用R13 和C12 對其進行濾波。如果電流檢測電壓達到過1V，則單獨過電流比較器終止脈衝。這種峰值電流限制方法與大多數脈寬調製（PWM）控制器中的功率限制過程一樣。如果功率保持恆定不變，則可以將方程式1 改寫為方程式2。在該方程式中， 我們可以清楚地看到功率限制時輸出電流同輸出電壓成反比。

一些控制器還包含有一個第二級比較器。峰值電流高出第一級比較器時，第二級比較器跳閘斷開。這種第二級比較器觸發控制器完全關閉，並發起一個重啟周期。設計這種額外保護級的目的是防止電源本身發生災難性故障，例如：短路變壓器繞組或者短路輸出二極體。但是，涉及短路負載的大多數情況一般都不會超出該閾值。

圖3 顯示了輸出和偏置電壓與圖2 所示電路負載電流的對比情況。輸出V－I 特性非常接近於圖1 所示理想情況。負載電流達到約1．3A 時開始功率限制。隨著負載增加，輸出電壓開始下降。由於偏置電壓是輸出電壓的反映，因此它也開始下降。偏置電壓降至9V 關閉水平以下時，PWM控制器關閉。

在該例子中，儘管在負載超出1．3A 時峰值電流限制激活，但是在轉換器關閉以前負載電流會為額定負載的兩倍以上。在某些應用中，這是不可接受的。反之，一種更加方形的V－I 曲線則較為理想。負載增加超出功率限制點後偏置電壓隨之下降，利用這一特性，我們可以非常輕鬆地獲得這種V－I 曲線。只需增加數個組件，便可利用不斷降低的偏置電壓在功率限制期間摺疊開關頻率。這樣做以後，開關頻率被強制與輸出電壓成正比關係，如方程式3 所示。將方程式3 代入方程式2 後我們發現，理論上講功率限制期間輸出電流不再依賴於輸出電壓的大小，參見方程式4．

用於創建這種改進型電流限制而增加的一些組件突出顯示在圖4 所示原理圖中。對內部振蕩器編程，通過R10、R8 和C11 設置反向轉換器的開關頻率。一個內部5V 源通過R10 和R8 對C11 充電。隨著偏置電壓下降，R7 和R11 的電阻分壓器開啟Q1，並優先於內部5V 源進行控制，從而降低開關頻率。偏置二極體（D4）現在必須為一種雙串聯二極體， 這樣R7 和R11 才不會在啟動期間使控制器的電流改道。需正確選擇R7 和R11 的值，以便讓Q1 在正常運行期間處於關閉狀態，僅在偏置電壓降至約12V 以下時才開啟。

添加這些組件的結果如圖5 所示。同前面一樣，電源進入功率限制時輸出電壓和偏置電壓均開始下降。一旦偏置電壓降至足以開啟Q1 的程度，負載電流的任何繼續增加都會使開關頻率降低，其反過來又會降低供給負載的有效功率。這會加快過電流關閉過程。注意， 在輸出電流和輸出電壓之間仍然存在一定程度的相互關係，這是因為變壓器內部的偏置繞組耦合和有限的Q1 增益。儘管存在這些缺點，但是增加的電路還是極大地改善了V－I 特性。實際上，電源現在不會向故障負載提供1．5A 以上的電流。

總之，擁有功率限制保護的電源仍然可以為過載輸出提供大量的電流。如本文所述，只需在一次側控制器周圍添加少數幾個組件，便可輕鬆且低成本地實現精確的電流限制功能。儘管它針對的反向轉換器，但是這種方案也可以減少降壓轉換器的多餘電流。

作者：Brian King，德州儀器 （TI） 應用工程師

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