|
一种开关电源限流电路的设计
冯开勇
摘要：一种基于 0.18 μm BCD 工艺制作的初级侧调节（PSR）开关电源限流电路。分析了峰值负载电流场合对开关电源限流电路的需求，设计了一种新颖的具有双重的过流保护（OCP）的限流电路，使电源在输出电流短时间大于第一 OCP 且小于第二 OCP 的情况下可以正常工作，并且设置了允许输出电流大于第一 OCP 的工作时间。该设计有效解决了开关电源峰值负载电流的需求，并且实现了不增加系统成本和系统安全可靠的工作。样品电路测试表明，提出的限流电路在不增加系统成本、不影响输出电压指标的情况下，具有常规设计 OCP 的 1.5 倍的峰值电流输出能力。
关键词：集成电路设计；开关电源；限流电路；峰值功率。
中图分类号：TN402；TN86 文章编号：1674-2583(2019)10-0019-03
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.10.008
中文引用格式：冯开勇.一种开关电源限流电路的设计[J].集成电路应用, 2019, 36(10): 19-21.
Design of a Current Limiting Circuit for Switching Power Supply
FENG Kaiyong
Abstract — A current limiting circuit of primary side regulation (PSR) switching power supply based on 0.18um BCD process is introduced. The demand for current limiting circuit of switching power supply in peak load current situation is analyzed. A novel current limiting circuit with double overcurrent protection (OCP) is designed, which can make the power supply work normally when the output current is larger than the first OCP and less than the second OCP in a short time, and the allowable working time is set.The design effectively solves the peak load current requirement of switching power supply, and achieves the work without increasing system cost and system safety and reliability. Sample circuit tests show that the proposed current limiting circuit has 1.5 times peak current output capacity of conventional OCP without increasing system cost and affecting output voltage index.
Index Terms — IC design, switching power supply, current limiting circuit, peak power.
1 引言
开关电源技术是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。PSR 反激式开关电源因其结构简单、体积小、成本低等优点被广泛应用于小功率负载设备场合。但是，在一些应用场合中，如网络设备、音响设备、马达等，往往要求开关电源在瞬时或启动时具有较高的输出电流能力，而正常工作时不需要较高的输出电流能力。电源工程师通常采用提高限流点的设计方式满足较高输出电流能力的要求，但这意味着系统转换效率的降低和需要选用更大规格的元件，带来了系统成本的增加。另外，电源输出电流在远大于额定负载电流的情况下持续工作且没有任何保护功能措施，造成发热严重而损坏甚至发生安全事故。在小功率 AC-DC 开关电源领域，价格竞争非常激烈。如果能解决瞬时较高输出电流能力，又节省了系统成本并且不改变现有的外围电路结构，则会极大地增强产品竞争优势。目前，还没有从开关电源控制器即集成电路角度来解决上述问题的有效方法[1-4]。
本文分析了 PSR 开关电源的工作机理，介绍了传统的限流点设计方法，提出了一种结构新颖的限流点设计方法。实验证明，该电路可以在不改变外围电路结构、不增加系统成本的情况下极大地提高瞬时输出电流能力。
2 PSR 反激式开关电源的工作原理及特点
如图 1 所示，根据反激式开关电源工作原理，当开关管 M1 导通时，一次侧电流线性增加，斜率为 VIN/LP，能量储存在一次侧绕组，当开关管 M1 截止时，二次侧电流线性减小，斜率为 -V0/LS，能量从一次侧传递到二次侧。
（1）
（2）
假设 PIN＝P0，则有式（3）和式（4）。
（3）
（4）
恒压工作调节模式有两种：一种保持 T（开关周期）不变，根据负载 RL 不同来调整 VIN×ton 使得输出电压 V0 保持不变，这种调整方式属于 PWM 方式；另一种保持 Ipk 不变，根据负载（RL）不同来调整 T（开关周期）使得输出电压 V0 保存不变，这种方式属于 PFM 方式。
PSR 开关电源因其省略了光耦、431 等二次侧反馈电路元件，具有结构简单、成本低等优点，在小功率开关电源中获得广泛应用。
3 传统的限流电路及应用方案
图 2 是一种典型传统的 PSR 开关电源电路，对于适配器应用场合，一般用到的是恒压功能和限流保护功能。控制芯片由采样保持、误差放大器、振荡器 OSC、比较器 1、比较器 2、RS 触发器和其他逻辑电路构成。通过辅助绕组检测的输出电压信息经采样保持电路和内部基准 Vref 经误差放大器产生误差信号 Vea，表征输出功率的大小，其和电流采样电压信号经比较器 1 比较后传递到 RS 触发器，决定开关管 M1 的关断。电流采样电压信号同时和限流阈值 Vpk 经比较器 2 比较后传递到 RS 触发器，决定开关管 M1 的关断，实现电流限流功能。OSC 根据输出电压 VO 调整开关频率，在恒压工作时 VO 不变，所以 OSC 输出固定频率的开关脉冲信号。当系统建立稳态后，负载电阻 RL 减小即负载增大，VO 下降，采样保持电路输出值减小，误差放大器输出 Vea 增大，电流采样电压增大，即 ton 增大，调整后使得 VO 输出不变。当负载电阻 RL 继续减小，ton 继续增大，电流采样电压大于 Vpk 时，比较器 2 输出高电平，传递到 RS 触发器后关闭开关管 M1，实现输出限流功能。电源工程师在设计开关电源系统时，为了获得较高的输出电流能力，往往只能减小电流采样电阻 Rcs，同样的初级电流情况下减小电流采样电压。这种做法往往带来转换效率的降低，并且存在较大的安全隐患。比如一个额定输出 12 V、1 A 的开关电源系统，要求最大输出电流能力为 1.5 A，设计限流点 OCP 就要满足大于 1.5 A。这样系统在异常负载、或故障时，输出 12 V、1.5 A 时就可以持续工作，然而系统热设计往往满足不了 12 V、1.5 A 的条件。这就带来极大的安全隐患。解决这个问题的办法只有选用更大规格的元器件材料，满足输出 12 V、1.5 A 时的热设计，这会极大提高系统成本。
4 一种结构新颖的限流电路
结合上述应用场合要求和对上述开关电源工作原理的进一步分析可知，对于较高限流点的要求往往是要求在较短时间内具有较大输出电流能力，正常工作时并不需要这么高的输出电流能力要求。因此，为了使系统具有短时间峰值输出电流能力，正常工作时具有额定输出电流能力，一个优化的设计必须满足正常工作时系统具有限流点 OCP1，当负载电流增大时，限流点 OCP1 不是立即发出保护动作，而是启动一个内部延时或计时动作，同时检测负载电流是否大于限流点 OCP2，如果负载电流大于 OCP2 则系统判定过流发出保护动作，如果负载电流小于 OCP2 则系统不做保护动作。当计时结束后负载电流小于 OCP1 则系统保持正常工作，如果计时结束负载电流大于 OCP1 则系统发出过流保护动作。此外，内部设置 OCP2 在不同条件下对最大输出电流提供了严格的限制。在异常重负载、输出低阻抗或输出短路的情况下，负载电流增加且大于 OCP2 时，电源将输出电流限制在 OCP1，然后在峰值功率模式定时器到期时关闭电源。该设计具有连续的输出电流范围，在短时间内，该电源可以在峰值输出电流处工作以提供达到最大峰值负载电流水平。这就允许电源在尺寸上可以更紧凑，而不会为了热考虑而过度设计组件和 PCB 板尺寸。
对于工作在非连续导通模式（DCM）的反激式开关电源，最大输出功率由式（5）给出。
（5）
其中，LP 变压器原边绕组电感量，FSW 系统工作开关频率，Ip 原边峰值电流，Vpk 原边峰值电流采样电压。
由式（5）可以看出，对于给定的 LP、FSW，增加原边峰值电流 Ip 或增加开关频率 FSW 均可以增加输出功率能力，且最大输出功率与原边峰值电流的平方成正比。对于工作在额定负载（输出电流小于 OCP1）情况下，当负载电流增加（大于 OCP1），该电源通过增加原边导通时间 ton 以获得更大的输出功率。
图 3 所示为本文提出的一种结构新颖的具有可变限流点的开关电源限流电路。限流电路由比较器 2、定时器、Vpk 发生器构成。限流电路具有如下优点：系统正常工作时内部设置 Vpk 发生器输出第一限流阈值 Vpk1。当 ton 增加即初级电流增大，电流采样电压 Vcs＞Vpk1 时，比较器 2 输出 COM2 高电平脉冲启动定时器开始计时，同时 Vpk 发生器根据开关周期逐周期轮流输出第一限流阈值Vpk1 和第二限流阈值 Vpk2，且 Vpk2＞Vpk1；如果 Vcs＞Vpk2，则定时器发送信号关闭开关管实现限流保护动作；如果 Vcs＜Vpk2，则计时器完成固定时间（40 ms）计时时如果 Vcs＞Vpk1，则计时器发送关闭开关管信号；如果未完成 40 ms 计时时 Vcs＜ Vpk1，则计时器复位系统保持正常工作。
恒压输出时，Vpk 决定了最大输出电流即限流点 OCP，并且 Vpk 的平方与 OCP 成正比。Vpk1 对应限流点 OCP1，Vpk2 对应限流点 OCP2。这里设置 Vpk2＝1.25×Vpk2，则对应的限流点 OCP2＝1.56×OCP1。
基于 0.18μm BCD 工艺模型，在 Cadense 环境下，使用 Spectre 对电路进行设计仿真。图 4 所示为开关脉冲、输出电压、电流随负载变化时的仿真波形。仿真结果表明，当负载电流短时间（小于 40 ms）增加时，系统工作正常，并且输出电压纹波也比较小，负载电流长时间（大于 40 ms）增加时，系统在负载电流增大时间达到 40 ms 时关闭（GATE 信号关闭）。
5 实验结果
为了验证本文提出的限流电路能够有效地解决峰值输出电流要求，将具有本文提出的新颖限流电路的开关电源芯片流片样品在整机上实测。实验采用图 5 所示的限流电路功能验证测试平台。
系统设计按照输出电压 12 V，额定输出电流 2 A，第一限流点 OCP1 为 2.2 A，第二限流点 3.3 A。调试工作正常后，设置电子负载 2A 电流工作，然后切换负载电流为 3 A 并且维持 26 ms，然后负载电流回到 2 A。从图 6 测试结果看，本文提出的新颖限流电路可以实现小于 40 ms 的峰值负载电流输出能力，大于 40 ms 的峰值负载电流在 40 ms 到达后系统关闭输出。
6 结语
对要求峰值负载电流能力的传统开关电源设计进行了分析，基于 0.18μm HV BCD 工艺，设计了一种结构新颖的限流电路。该限流电路具有双重限流点，并且当负载电流大于第一限流点时开始启动内部计时，计时结束时负载电流大于第一限流点系统关闭。实验结果表明，该限流电路在不改变外围电路、不损伤系统效率的情况下具有瞬时峰值负载电流输出能力，降低了系统成本，提供了系统工作可靠性，具有较强的工程实用价值。
参考文献
[1] 张占松.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2] P.E.艾伦，D.R.霍尔伯格.CMOS模拟电路设计[M].北京:科学出版社,1995.
[3] VATCHE VORPER AN.Simplified Analysisof PWM Converters Using Modelof PWM Switch PartII:Discontinuous Mode[J].IEEE TRANSACTION ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS,2002.
[4] H Dixon.Magnetic Designfor Switching Power Supplies[M].Lloyd,2001.
===========================
本刊为国家新闻出版广电总局首批认定的中国A类学术期刊，中国知网优先首发。中国知网、维普网、万方数据、CSCD数据库刊源收入。中国集成电路产业唯一国家核定的学术月刊。
|
