《電子技術(shù)應(yīng)用》
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帶有副邊電流過零檢測的雙模式AC/DC開關(guān)電源
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
徐鵬程,，韓志剛
同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201804
摘要： 當(dāng)反激式變換器在副邊電流減小至零時(shí),，原邊電感和功率開關(guān)管的寄生電容會發(fā)生耦合振蕩作用,，針對此現(xiàn)象提出了一種帶有副邊電流過零檢測功能的雙模式AC/DC驅(qū)動電路，有效地確定了副邊電流過零時(shí)刻,。根據(jù)副邊電流持續(xù)的時(shí)間判斷負(fù)載情況,，實(shí)現(xiàn)了輸出端負(fù)載短路或者斷路保護(hù)，并避免了芯片應(yīng)用系統(tǒng)從電流斷續(xù)模式突然進(jìn)入電流連續(xù)工作模式,，使開關(guān)電源驅(qū)動電路更加穩(wěn)定,，并且結(jié)合反激式原邊反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了恒流和恒壓的雙模式驅(qū)動。
關(guān)鍵詞： 反激式 過零檢測 短路 斷路
中圖分類號： TN45
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0062-03
Design of dual mode AC/DC switching power with a secondary conduction zeros crossing detection
Xu Pengcheng,，Han Zhigang
School of Electronic and Information,，Tongji University，Shanghai 201804,，China
Abstract： Based on the resonance between primary inductance and parasitic capacitance in power switching transistor when secondary current from peak drops down to zero, a secondary current zeros crossing point detection is proposed in this paper. It can be used to estimate zeros crossing point of secondary current and has load short or open protection. Also it will avoid the system working in continuous conduction mode(CCM) from discontinuous conduction mode(DCM) abruptly. A more stable and double mode will be achieved in the proposed circuit.
Key words : flyback,；zeros crossing point detect；short,；open

    對負(fù)載的保護(hù)以及因負(fù)載失效（短路或斷路）而對電源的保護(hù)是設(shè)計(jì)中需要考慮的很重要的方面[1-2],。在反激式變換器中，當(dāng)負(fù)載變化超出一定范圍,，副邊二極管續(xù)流Is時(shí)間過長,，且在下一個(gè)開關(guān)周期開始之前，Is沒有下降至零,，則電路系統(tǒng)將從電流斷續(xù)的工作模式(CDM)下進(jìn)入電流連續(xù)的工作模式(CCM),。對于剛進(jìn)入電流連續(xù)模式下的電路，其傳遞函數(shù)與電流斷續(xù)下的傳遞函數(shù)有很大不同,，如果此時(shí)誤差放大器帶寬不能迅速減小,，則電路將會發(fā)生振蕩[3],，這將使AC/DC開關(guān)電源驅(qū)動系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,。

    為有效地實(shí)現(xiàn)電路應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載短路和斷路保護(hù)，同時(shí)能避免反激式電路系統(tǒng)從電流斷續(xù)工作模式突然進(jìn)入電流連續(xù)的工作模式,，本文根據(jù)反激式變換器原邊繞組和副邊繞組之間的耦合作用,，通過采集副邊電流減小至零時(shí)原邊繞組變化的電壓來檢測副邊電流過零的時(shí)間點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路和斷路保護(hù),，并結(jié)合反激式原邊反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了恒流恒壓雙模式驅(qū)動,。

1 副邊電流過零檢測

    副邊電流過零檢測電路就是檢測副邊電流從功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的峰值Ispk以斜率-Vo/Ls下降至零的時(shí)刻。

    當(dāng)副邊電流下降至零時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄗ饔?，變壓器副邊的電感進(jìn)入高阻狀態(tài),，原邊電感和開關(guān)管寄生電容組成的LC振蕩電路將發(fā)生振蕩[4-5]。

    副邊電流斷續(xù)的工作模式下,，在反激式轉(zhuǎn)換器的停滯時(shí)間內(nèi),，寄生電容將與Vdc周圍的主要電感發(fā)生振蕩。寄生電容上的電壓會隨振蕩而變化,，但始終具有相當(dāng)大的數(shù)值,，如圖1所示。

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    LC振蕩頻率為：

    dy4-gs1.gif

其中,，Lleak表示變壓器的漏感,。

    諧振的發(fā)生提供了一個(gè)判斷副邊電流減小至零的一個(gè)信號。通過電壓采樣網(wǎng)絡(luò),，采集Vd的變化,，并將信號與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)副邊電流降為零時(shí),，比較器翻轉(zhuǎn),。副邊電流過零信號曲線如圖2所示。

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    副邊電流過零檢測可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路和斷路保護(hù),。短路時(shí),，負(fù)載總電阻減小，根據(jù)反激式電流變化斜率k=V/L,，副邊電流從峰值減小至零的時(shí)間變長,，反之?dāng)嗦窌r(shí)，負(fù)載總電阻增大,，副邊電流從峰值減小至零的時(shí)間變短,。在副邊電流開始導(dǎo)通時(shí)，芯片中設(shè)置兩個(gè)時(shí)序信號T1和T2,，將Toff限制在這兩個(gè)時(shí)序信號之間,，以此來實(shí)現(xiàn)對于輕載和過載的判斷，并在負(fù)載失效時(shí)有效地對電源進(jìn)行保護(hù)[6-7],。

    根據(jù)圖3所示,，過流檢測信號控制新的開關(guān)周期的開始（由于本文采用頻率調(diào)制模式，過流檢測信號并不能控制新的周期在何時(shí)開始,，只是新周期開始的一個(gè)必要而不充分條件）,，如果過零檢測信號是在兩個(gè)時(shí)序信號T1和T2之間到來，則系統(tǒng)正常工作,。當(dāng)在T2信號之前,，則判斷負(fù)載斷路,；當(dāng)在T1信號之后，則判斷為負(fù)載短路,。

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2 反激式應(yīng)用電路

    芯片的應(yīng)用電路采用帶有輔助繞組的反激式原邊反饋結(jié)構(gòu),，其隔離變壓器兼具存儲能量和電氣隔離的雙重作用，并且與正激式變換器相比,，不需要磁復(fù)位繞組,，因此被廣泛應(yīng)用于小功率場合，如圖4所示,。

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    輔助繞組Na主要有以下兩個(gè)作用：

    (1)為芯片供電,；

    (2)通過反激式變換器T1的耦合作用檢測副邊輸出的電流電壓信息。

    當(dāng)副邊的整流二極管D0導(dǎo)通時(shí),，由輔助繞組供電的VDD電壓反映了輸出電壓的信息,。根據(jù)變壓器耦合的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系，芯片內(nèi)部電源電壓為：

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    反激式變換器的原邊和副邊電流變化如圖5所示,。

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    若Td>0,，則芯片工作于電流斷續(xù)狀態(tài)，此時(shí),，所有導(dǎo)通階段電源通過初級線圈儲存的能量在開關(guān)管下一個(gè)周期開始之前已經(jīng)全部傳送給負(fù)載,，其平均電流等于三角波的平均值與其占空比Toff/T的乘積。

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3 恒流工作模式

    恒流工作模式主要通過脈沖頻率調(diào)制(PFM)來實(shí)現(xiàn),。每一次的脈沖頻率調(diào)制都在過零檢測電路檢測到過零點(diǎn)之后再釋放信號,，以此避免在負(fù)載短路或者斷路狀態(tài)下工作。

    通常的脈沖頻率調(diào)制模式都采用BOOST變換器加主功率變換器的雙極有源變換方案,。

    當(dāng)負(fù)載加重導(dǎo)致的輸出電壓下降時(shí),，將被輔助繞組檢測到，并且通過芯片內(nèi)部的壓控振蕩器,，使開關(guān)管的工作頻率降低以控制輸出電流恒定,。

    如圖6所示，Vfb是從輔助繞組反饋的電壓VDD中分壓而來的,，Vfb=VDD R1/R,。通過電壓跟隨器的作用使得It=Vfb/Rt。結(jié)合式(2),，得：

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    因此It的大小就反映了輸出端的信息,。電流It通過電流鏡的鏡像作用，分別得到I1=μ1 It和I2=μ2 It,。對電容C充電電流Ic=I1,，對電容C放電電流Id=I2-I1,。鋸齒波信號在VH和VL之間振蕩,，通過比較器和SR觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號Vpulse,。

    脈沖信號的周期T是電容C的充電時(shí)間和放電時(shí)間之和，即：

    dy4-gs9-12.gif

式(12)說明在圖6所示的調(diào)制模式下,，副邊輸出電流Iout與負(fù)載Ro和輸入電壓Vdc無關(guān),。Ippk是由內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓和外圍的采樣電阻Rcs決定，通過選擇合理的Rcs,，便可以得到預(yù)設(shè)定的恒定輸出電流,。恒流模式仿真結(jié)果如圖7所示。

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4 恒壓工作模式

    在恒壓工作模式下,，開關(guān)管處于間歇式工作狀態(tài),，正如仿真結(jié)果圖8所示。

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    從圖8可以看出,，當(dāng)輸出負(fù)載變輕,，相應(yīng)輸出電壓增大，當(dāng)輔助繞組檢測到這一信號時(shí),，將控制芯片內(nèi)部的壓控振蕩器停止工作,，此時(shí)開關(guān)管被關(guān)閉，輸入端的能量不能通過反激式變壓器傳遞到輸出端,。輔助繞組不斷地檢測輸出端信號,，當(dāng)輸出電壓下降時(shí)會控制振蕩器重新開始工作。

    本文根據(jù)反激式變換器設(shè)計(jì)了一款帶有副邊電流過零離線恒壓恒流雙模式的AC/DC驅(qū)動電路,。通過檢測副邊電流過零點(diǎn)時(shí),，由于原邊電感和開關(guān)管的寄生電容產(chǎn)生LC振蕩，通過采集振蕩信號來判斷過零點(diǎn),，得到副邊二極管續(xù)流時(shí)間,。將續(xù)流時(shí)間控制在兩個(gè)時(shí)序信號之間，以此來實(shí)現(xiàn)對于負(fù)載短路或者斷路情況的判斷和保護(hù),。在反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,，通過脈沖頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動，通過間歇式工作模式實(shí)現(xiàn)了恒壓驅(qū)動,。

參考文獻(xiàn)

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