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

1??? 概述

??? DC/DC變換器限流保護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，但是當取樣電流較大時會遇到很大的困難。圖1所示的限流保護電路可以解決小電阻取樣大電流的困難，同時成本也不高。此電路適用于變換器工作在CCM模式。圖2給出了該限流保護電路的主要工作波形。圖中V_D1為二極管D₁的導通壓降，v_a及v_b分別為A及B點電壓。v_b在實際電路中波動很小，相當于一個直流電壓，它的值近似為V_amax－V_D1。v_b隨著i_in的增大而增大，當v_b達到V_ref時，限流保護電路開始工作，電路處于限流保護狀態。

圖1??? 帶限流保護電路的PWM控制電路

圖2??? 限流保護電路主要工作波形

2??? 應用于Boost Buck-Boost Flyback拓撲時限流保護電路分析

??? 限流保護電路取樣流過二極管電流i_D，如圖3(a)、(b)、(c)所示。之前在概述中已經提到：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比。

??? 對于Boost，Buck-Boost，Flyback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v_b增大到等于V_ref時，i_o被限定在最大值I_omax即為限流值。

??? I_omax=（4）

??? 在實際電路中，變換器工作在CCM模式，電感L設計得較大，而且二極管壓降V_D1很小（流過電流很小），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)最小輸入電壓時限流保護電路工作波形(e)最大輸入電壓時限流保護電路工作波形

圖3??? 各變換器及其寬范圍輸入時限流保護電路工作波形

3??? 改進方案及參數設計

??? 在具體實驗中發現，限流保護值隨著輸入電壓變化的幅度較大（這個從圖4中就可以看到），給限流保護的精度帶來了一定的影響，因此，需要采取一定的措施來減小它的變化范圍。

??? 改進方案主要有兩種：一是讓參考電壓V_ref跟隨輸入電壓的變化而反向變化；二是給比較器負端一個補償電壓，補償電壓應隨輸入電壓同向變化。

??? 本文采用了輸入電壓作為補償信號的方法。輸入電壓通過一個電阻R4接到比較器負端（圖1中的C點），此時限流保護電路工作并達到穩定狀態時有：

??? 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可以根據未加補償時的限流值先確定一個數值，使未加補償時的最小限流值比需要的限流值略大，因為加補償以后，補償值會抵消一部分的限流值，見圖4。

??? R₄的取值理論上可以根據最大輸入電壓和最小輸入電壓時限流值相等來求得，各種拓撲取值不同。以Boost為例，假定最大輸入電壓V_in2，最小輸入電壓V_in1，相對應的限流值分別為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環節的要求設定，則R₄可由式（9）得到，再在具體實驗中進行微調，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調節V_ref實現。V_ref調整以后，R₄也要做相應的調整。

4??? 實驗結果

??? 一個帶有限流保護電路和補償電路的Flyback變換器驗證了上述的理論結果，其電路規格和主要參數如下：

??? 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電路補償前和補償后實測限流值隨輸入電壓變化的曲線。限流值在補償前隨輸入電壓的變化有較大的波動，而加了補償電路之后限流值的穩定性有了明顯的改善，證明了該補償電路的有效性。

5??? 結語

??? 本文分析了一種限流保護電路應用于寬范圍輸入的Boost，Buck-Boost，Flyback拓撲時的工作狀況，并提出了一種改進方案用于克服限流保護點隨輸入電壓變化而波動過大的缺點。該方案簡單有效，大大提高了寬范圍輸入的Boost，Buck-Boost，Flyback變換器限流保護點的精確度和穩定度。