星用DC-DC變換器過載保護電路的有效性分析與設計

　　引言

　　在開關電源設計中很重要的一項內容是過載保護功能的設計，尤其是在空間領域，由于其高可靠、高風險、不可維修性的特殊要求，使得空間用DC-DC變換器要具備可靠的過載保護功能。

　　過載保護的功能是指在負載過載情況下能有效保護DC-DC變換器不致由于過熱而損壞，即主要是控制功率MOSFET管的過載電流(輸入電流)。由于用電負載不同，對過載保護功能要求也不同。如衛星控制系統要求過載后DC-DC變換器不能斷電，因此采取限流保護;有效載荷系統要求可以在過載后DC-DC變換器斷電，因此采取截流保護。又如集中供電的電源系統，由于多臺設備公用一個電源，因此也要求由于其中一臺設備過載后DC-DC變換器還能正常提供輸出;而分散供電的電源系統則可以根據具體的配電要求設置過流保護方式等。

　　DC-DC變換器由于和用電負載緊密結合在一起，因此引起過載的失效模式可能是內部原因，即DC-DC變換器內部失效。也可能是外部原因，即用電負載的失效。

　　內部原因例如DC-DC變換器輸出整流二極管的短路、輸出濾波電容的短路、輸出濾波共模電感兩個繞組之間的短路等。內部原因很簡單，主要是用電負載的短路、CMOS電路的閂鎖等。

　　本文提出了一種基于PWM的限流保護電路的設計方法，以及設計驗證。

　　電流環控制方式的過流保護

　　電流型控制是雙環控制系統，由開關器件的峰值電流信號反饋的電流環(內環)和輸出電壓信號反饋的電壓環(外環)構成。功率變換部分是由電流環控制的電流源，電壓外環控制功率級的電流環。電流內環負責輸出電感的動態變化，而電壓外環只需控制輸出電容。

　　電流型控制方式的PWM有多種，諸如UC1842(3、4、5)系列、UC1846、UC1825(電壓型和電流型)等，都設計了基于電流環的過流保護功能。

　　以UC1842為例，其工作原理是功率開關管由振蕩器起始導通，當峰值電感電流達到誤差放大器輸出建立的門限電平時終止，這樣使得在逐周基礎上反饋的誤差信號控制峰值電感電流。即電流取樣信號逐周與誤差放大器的輸出電平比較，產生驅動脈沖來控制功率開關管的導通時間，從而實現閉環輸出。在過流狀態下，由于峰值電感電流斜率比較大，使得逐周比較產生的驅動脈沖很窄，從而大大限制了功率開關管的導通時間，實現了限流保護，是一種峰值電流控制方式。其峰值電感電流受誤差放大器輸出電壓的控制，見式(1)：

　　其中：VE為誤差放大器的輸出電壓;RS電流檢測電阻。

　　但筆者根據多年工程實際驗證，僅僅依靠電流環控制方式的過流保護不能有效的限制輸入電流，電路仿真和試驗測試結果比較一致，下面給出基于PWM 1845的電流環過流保護的仿真結果。仿真電路見圖1，結果見圖2。可以看到過流后輸入平均電流為0.65A。