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一種具有過載和短路保護(hù)的車載電源系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計

發(fā)布時間:2012-12-19 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】本文提出了一種具有過載和短路保護(hù)的車載電源系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計方案。該方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)42VDC/12VDC的轉(zhuǎn)換,輸出電壓穩(wěn)定,波紋小,不間斷,性能可靠且電源損耗小。 

 
UC3842的保護(hù)電路設(shè)計

UC3842的典型應(yīng)用

UC3842是高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制(PWM)芯片,其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

UC3842典型應(yīng)用電路
圖1:UC3842典型應(yīng)用電路 

過載保護(hù)原理分析

當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時,輸出電壓會下降,同時為UC3842供電的反饋繞組也會出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10V時,UC3842停止工作,開關(guān)管截止。短路現(xiàn)象消失后,電源重新啟動,自動恢復(fù)正常工作。

但由于在高頻關(guān)斷的時候會出現(xiàn)很高的尖峰電壓,即使占空比很小的情況下,電路中7腳的輸入電壓也可能不會降到足夠低,過載保護(hù)電路并不總能有效的響應(yīng)所出現(xiàn)的過載情況,對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生不良的影響,存在著一定的安全隱患。
 
過流保護(hù)原理分析

當(dāng)電流取樣端3腳上的電壓值超過電流檢測比較器負(fù)端的電壓時,可以使脈寬調(diào)制鎖存器輸入復(fù)位信號,開關(guān)管于是被關(guān)閉。這樣峰值檢測電路限制輸出的最大電流,起到了一定的保護(hù)作用。

但是隨著開關(guān)頻率的升高,可能會出現(xiàn)開關(guān)電源處于連續(xù)模式下,也就是每個開關(guān)周期的初級電感電流是從一定的幅度開始增長,這樣會產(chǎn)生分諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性和穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無關(guān),它是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作引起的。圖2說明了這樣的現(xiàn)象。

補(bǔ)償前的電流波形
圖2:補(bǔ)償前的電流波形

如圖2所示,在t0時刻,開關(guān)管被導(dǎo)通,這時初級線圈電流以斜率m1上升,該斜率是輸入電壓和電感的函數(shù)。在t1時刻,電流取樣輸入到達(dá)了電流檢測 比較器的門限,將導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉,電流以斜率m2衰減,直到下一個開關(guān)周期的到來。如果有一個擾動加在電流檢測比較器的門限電壓上,產(chǎn)生了一個小的△I (如圖2中虛線所示),就會發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在一個固定的振蕩周期內(nèi),電流衰減時間減少,最小電流在開關(guān)管導(dǎo)通時刻(t 2)上升了△I+m 2/m 1。最小電流在下一個周期(t 3)減小到(△I+m 2/m 1)•(m 2/m 1)。

開關(guān)電源原理框圖
圖3:開關(guān)電源原理框圖

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每一個后續(xù)的開關(guān)周期內(nèi),該擾動都會與(m 2/m 1)相乘,在幾個開關(guān)周期交替增加和減小初級線圈電流,也許若干個開關(guān)周期后電流會減小到零,使這個過程重新開始。如果m 2/m 1大于1,系統(tǒng)將不穩(wěn)定。
 
保護(hù)電路的改進(jìn)
 
如圖3所示,本設(shè)計針對UC3842典型應(yīng)用電路的過流、過載保護(hù)電路做出以下改進(jìn)。

在反饋繞組的整流二極管回路串一個電阻,它和電容C2組成RC濾波網(wǎng)絡(luò),對開關(guān)管開通瞬間時的尖峰電壓起到了濾除的作用。這樣,由于尖峰電壓的減少,當(dāng)短路現(xiàn)象發(fā)生時,反饋繞組輸出的電壓會有效的降低,UC3842會停止工作直到短路現(xiàn)象解除。

對過流保護(hù)電路進(jìn)行斜率補(bǔ)償。補(bǔ)償斜率從RT、CT振蕩器產(chǎn)生,加到電壓反饋端,以提高誤差放大器輸出的斜率補(bǔ)償。如圖3所示,誤差放大器的輸出是 具有m3斜率的斜坡,經(jīng)過兩個二極管后被電阻分壓,然后輸入到電流檢測比較器的負(fù)端作為過流保護(hù)電路的控制電壓。這樣通過電流檢測比較器和脈寬調(diào)制鎖存器 的配置保證了在任何一個振蕩器周期中只有一個單脈沖出現(xiàn)在輸出端。當(dāng)出現(xiàn)過載或者輸出電壓取樣丟失等異常工作情況,內(nèi)部比較門限會被限定在1V,而不會出 現(xiàn)電路失調(diào)的情況。

圖4顯示了通過在控制電壓上增加一個與脈寬調(diào)制時鐘同步的人為的斜坡,可以在后續(xù)的開關(guān)周期有效的抑制由于△I擾動而引起的不穩(wěn)定。該補(bǔ)償斜坡的斜率(m 3)必須等于或者大于m 2/2才具有穩(wěn)定性。通過m 3斜率的補(bǔ)償,初級線圈電流會被控制電壓所抑制,緊跟控制電壓的幅度。
 
實驗結(jié)果

表1為輸入電壓在30~50V波動時,輸出電壓的波動情況,表2是負(fù)載電流在10~500mA變化時,輸出電壓的波動情況。由表1的數(shù)據(jù)可得到電壓調(diào)整率S v<0.3%。由表2的數(shù)據(jù)可得到輸出電阻R o<0.4Ω。

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斜率補(bǔ)償后的電流波形
圖4:斜率補(bǔ)償后的電流波形

本文所提出的是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的單端反激式結(jié)構(gòu)開關(guān)電源設(shè)計方案。由于采用了“斜率補(bǔ)償”的過流保護(hù)方式,性能更加穩(wěn)定可靠,電壓調(diào)整率 低、輸出電阻小、紋波低,功率損耗低,系統(tǒng)安全系數(shù)高,實現(xiàn)對車載電源系統(tǒng)的供電,對提高汽車整體性能大有益處。本設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于武漢理工大學(xué)智能信 息系統(tǒng)研究所自行設(shè)計的車用直流無刷電機(jī)控制器的電源系統(tǒng)中。

同時,本文所提出的DC/DC方案也適用于其他直流供電電源的應(yīng)用設(shè)計。由于其性能穩(wěn)定,紋波小,對采用微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)的供電電源設(shè)計有一定的借鑒意義。
 

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