CN104104063A - 一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，设置一反激变换器，该反激变换器包括输入整流桥、输入电容、变压器、功率开关、输出二极管、输出电容以及负载电路，设置一控制电路，该控制电路与该反激变换器电连接，该控制电路包括采样电阻、过流比较器、非线性过流基准电路、RS触发器以及驱动器，其中，由该非线性过流基准电路提供一个过流保护基准电压，该过流保护基准电压为随该变压器的占空比非线性变化的电压基准。

Description

一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于宽范围输入条件下的反激变换器的输出过流保护方法，特别是指一种非线性电路中反激变换器输出过载时能获得一致性较好的最大输出电流的方法。

背景技术

众所周知，由于反激变换器具有器件少、成本体、电路简单的特点，所以目前其已经被广泛地应用在中小功率的交流到直流的开关电源中。

如图1所示，传统的反激变换器在结构上一般由半导体二极管组成的输入整流桥DB1、输入电容Cin、变压器T1、功率开关S1、输出二极管D1和输出电容Cout组成。

为了实现对输出最大电流的控制，传统的控制电路部分还需要由采样电阻Rsen、过流比较器Comp1、过流保护基准Vocp、RS比较器和驱动器组成。其实现输出电流过流保护的方法是，首先在电路中设计一个恒定的过流保护基准，即Vocp。其次控制电路通过采样电阻Rsen采样变压器T1原边（Np）的电流，当采样电压超过基准电压Vocp时RS触发器被强制复位，之后RS触发器的输出Q变为零，并使得驱动器输出变为低和功率开关S1关闭。当下一个周期的时钟信号到来后，功率开关再次开通并重复执行以上动作。最后，通过此原理变压器T1原边的最大电流的由基准电压Vocp和采样电阻Rsen决定，如图2所示，即Ipk_Np=Vocp/Rsen。

如图2所示，传统的反激变换器输出的平均电流由以下关系决定：

由此可知，反激变换器输出的平均电流不仅由变压器原边的最大值电流Ipk_Np决定，而且由占空比D、输入电压和电感量L决定。所以这种设计的存在的缺陷是，当输入电压变化范围较宽时，且输出功率超过额定负载功率时其输出的最大平均电流随输入电压变化较大，很难做到对电路器件的安全保护。

发明内容

本发明提供一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其最大的输出电流不受输入电压变化和占空比的影响, 以达到较好保护电路器件的目的，而此为本发明的主要目的。

本发明所采取的技术方案是：一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，设置一反激变换器，该反激变换器包括输入整流桥、输入电容、变压器、功率开关、输出二极管、输出电容以及负载电路，其中，该输入整流桥由半导体二极管组成。

设置一控制电路，该控制电路与该反激变换器电连接，该控制电路包括采样电阻、过流比较器、非线性过流基准电路、RS触发器以及驱动器，其中，由该非线性过流基准电路提供一个过流保护基准电压，该过流保护基准电压为随该变压器的占空比非线性变化的电压基准。

该控制电路通过该采样电阻采样该反激变换器的该变压器的原边的电流，当采样电压超过该过流保护基准电压时该RS触发器被强制复位，之后该RS触发器的输出端变为零，并使得该驱动器输出变为低同时该反激变换器的该功率开关关闭，当下一个周期的时钟信号到来后，该功率开关再次开通并重复执行以上动作，最后，通过上述的方式使该变压器的原边的最大电流由该过流保护基准电压以及该采样电阻决定，即，Ipk_Np=Vocp/Rsen，其中，Ipk_Np为该变压器的原边的最大电流，Vocp为该过流保护基准电压，Rsen为该采样电阻。

该反激变换器输出的平均电流Io由以下关系决定：

其中，Io为该反激变换器输出的平均电流，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数，, Ipk_np为该变压器T1的原边Np的最大电流, Ivalley_np, 为该变压器T1的原边Np的最小电流，D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间,Vocp为该过流保护基准电压Vocp,Rsen为该采样电阻Rsen。

该反激变换器输出的最大电流Io与该过流保护基准电压的关系为：

其中，Vocp为该过流保护基准电压Vocp，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数, D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间, Rsen为该采样电阻Rsen, △IL为电流纹波。

该纹波电流的大小按照该最大输出电流Io的比例选取即：

其中，k为常量。

该最大的输出电流Io与该过流保护基准电压Vocp的关系为：

其中，系数a和b为：，。

该非线性过流基准电路包括压控电流源、电容、V0电压源、二极管、Voff电压源、比例放电器、第二开关以及第三开关。

该第二开关和该第三开关受关段时间信号的控制，当该功率开关开通时，该第二开关和该第三开关关段，该电容被充电；当该功率开关关段时，该第二开关和该第三开关导通，该电容被放电，该电容两端的电压与该V0电压源的串联作为该比例放大器的输入电压,该比例放大器的输出电压与该Voff电压源串联作为该过流保护基准电压。

由该电容充电的电流i1具体表达式为：

其中，i1为该电容充电的电流，C为该电容的电容值，Vc为该电容两端的电压，Ton为该第二开关和该第三开关导通时间，D*Tsw为通时间。

同时，该电容充电的电流i1又由该压控电流源的输入电压决定：

其中，i1为该电容充电的电流，Vc为该电容两端的电压，Vo为该V0电压源电压。

由以上关系得到该电容两端电压Vc的表达式为和该过流保护基准电压Vocp的表达式为：

其中，Vc为该电容两端的电压，Vo为该V0电压源电压，D*Tsw为通时间，C为该电容的电容值，Vocp为该过流保护基准电压，Voff为该Voff电压源电压，m、n为常量。

本发明的有益效果为：本发明的技术可以在宽范围输入条件下得到一致性实现较好的过流保护功能。

附图说明

图1为传统的反激变换器的电路原理图。

图2为传统的反激变换器的变压器的波形图。

图3为本发明的过流保护基准电压随变压器的占空比非线性变化的电压基准图。

图4为本发明的电路原理图。

图5为本发明非线性过流基准电路的电路原理图。

图6为本发明非线性过流基准电路的第二开关、第三开关、过流保护基准电压、电容两端电压的波形图。

具体实施方式

如图3至6所示，一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，设置一反激变换器，该反激变换器包括输入整流桥DB1、输入电容Cin、变压器T1、功率开关S1、输出二极管D1、输出电容Cout以及负载电路，其中，该输入整流桥DB1由半导体二极管组成。

设置一控制电路，该控制电路与该反激变换器电连接，该控制电路包括采样电阻Rsen、过流比较器Comp1、非线性过流基准电路、RS触发器以及驱动器，其中，由该非线性过流基准电路提供一个过流保护基准电压Vocp。

该过流保护基准电压Vocp为随该变压器T1的占空比D非线性变化的电压基准。

该控制电路通过该采样电阻Rsen采样该反激变换器的该变压器T1的原边Np的电流，当采样电压超过该过流保护基准电压Vocp时该RS触发器被强制复位，之后该RS触发器的输出端Q变为零，并使得该驱动器输出变为低同时该反激变换器的该功率开关S1关闭。

当下一个周期的时钟信号到来后，该功率开关S1再次开通并重复执行以上动作，最后，通过上述的方式使该变压器T1的原边Np的最大电流由该过流保护基准电压Vocp以及该采样电阻Rsen决定。

即，Ipk_Np=Vocp/Rsen，其中，Ipk_Np为该变压器T1的原边Np的最大电流，Vocp为该过流保护基准电压Vocp，Rsen为该采样电阻Rsen。

该反激变换器输出的平均电流Io由以下关系决定：

其中，Io为该反激变换器输出的平均电流，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数，, Ipk_np为该变压器T1的原边Np的最大电流, Ivalley_np, 为该变压器T1的原边Np的最小电流，D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间,Vocp为该过流保护基准电压Vocp,Rsen为该采样电阻Rsen。

由此可知，该反激变换器输出的平均电流Io不仅由该变压器T1原边的最大值电流Ipk_Np决定，而且由占空比D、输入电压和电感量L决定。

为了保证最大的该反激变换器输出的平均电流Io不受输入电压变化和占空比的影响，所以该过流保护基准电压Vocp应当为随该变压器T1的占空比D非线性变化的电压基准。

首先，由前面的公式可以推导出理想情况下最大的输出电流Io与过流保护基准Vocp的关系：

其中，Vocp为该过流保护基准电压Vocp，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数, D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间, Rsen为该采样电阻Rsen, △IL为电流纹波。

其次，在实际的电路设计中，纹波电流的大小一般是按照最大输出电流的一定比例选取的，即：

所以，最大的输出电流Io与过流保护基准Vocp的关系可以演变为：

其中，系数a和b为：，

如图3所示，由此可知，实现最大的输出电流Io不受输入电压变化和占空比的影响的过流基准需要是一个随占空比非线性变化的电压基准。

最后，本发明提出了利用一种变化的过流保护基准替代传统的固定基准的电路结构，并且利用一种非线性电路结构产生随占空比呈非线性变化的过流保护基准。

如图表5所示，该非线性过流基准电路包括压控电流源、电容C、V0电压源V0、二极管D、Voff电压源Voff、比例放电器、第二开关S2以及第三开关S3。

该第二开关S2和该第三开关S3受关段时间Toff信号的控制，当该功率开关S1开通时，该第二开关S2和该第三开关S3关段，该电容C被充电；当该功率开关S1关段时，该第二开关S2和该第三开关S3导通，该电容C被放电。

该电容C两端的电压与该V0电压源V0的串联作为该比例放大器的输入电压V1,该比例放大器的输出电压V2与该Voff电压源Voff串联作为该过流保护基准电压Vocp。

由该电容C充电的电流i1具体表达式为：

其中，i1为该电容C充电的电流，C为该电容的电容值，Vc为该电容两端的电压，Ton为该第二开关S2和该第三开关S3导通时间，D*Tsw为通时间。

同时，该电容C充电的电流i1又由该压控电流源的输入电压决定：

其中，i1为该电容C充电的电流，Vc为该电容两端的电压，Vo为V0电压源电压。

由以上关系可以得到该电容C两端电压Vc的表达式为和该过流保护基准电压Vocp的表达式为：

其中，Vc为该电容两端的电压，Vo为V0电压源电压，D*Tsw为通时间，C为该电容的电容值，Vocp为该过流保护基准电压Vocp，Voff为Voff电压源电压。

因为电路参数：C、V0、m、n、Tsw以及Voff，均为常量，所以利用本电路可以产生非线性变化的过流保护基准Vocp，也就可以实现最大的输出平均电流不随占空比和输入电压变化的要求。

Claims (5)

1.一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其特征在于，设置一反激变换器，该反激变换器包括输入整流桥、输入电容、变压器、功率开关、输出二极管、输出电容以及负载电路，其中，该输入整流桥由半导体二极管组成，

设置一控制电路，该控制电路与该反激变换器电连接，该控制电路包括采样电阻、过流比较器、非线性过流基准电路、RS触发器以及驱动器，其中，由该非线性过流基准电路提供一个过流保护基准电压，该过流保护基准电压为随该变压器的占空比非线性变化的电压基准，

该控制电路通过该采样电阻采样该反激变换器的该变压器的原边的电流，当采样电压超过该过流保护基准电压时该RS触发器被强制复位，之后该RS触发器的输出端变为零，并使得该驱动器输出变为低同时该反激变换器的该功率开关关闭，当下一个周期的时钟信号到来后，该功率开关再次开通并重复执行以上动作，最后，通过上述的方式使该变压器的原边的最大电流由该过流保护基准电压以及该采样电阻决定，即，Ipk_Np=Vocp/Rsen，其中，Ipk_Np为该变压器的原边的最大电流，Vocp为该过流保护基准电压，Rsen为该采样电阻。

2.如权利要求1所述的一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其特征在于： 该反激变换器输出的平均电流Io由以下关系决定：

其中，Io为该反激变换器输出的平均电流，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数，, Ipk_np为该变压器T1的原边Np的最大电流, Ivalley_np, 为该变压器T1的原边Np的最小电流，D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间,Vocp为该过流保护基准电压Vocp,Rsen为该采样电阻Rsen。

3.如权利要求2所述的一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其特征在于： 该反激变换器输出的最大电流Io与该过流保护基准电压的关系为：

其中，Vocp为该过流保护基准电压Vocp，Np为该变压器T1的原边Np初级匝数, Ns为该变压器T1的次级匝数, D为占空比，Vin_dc为输入电压,L为电感量,D*Tsw为通时间, Rsen为该采样电阻Rsen, △IL为电流纹波，

该纹波电流的大小按照该最大输出电流Io的比例选取即：

其中，k为常量，

该最大的输出电流Io与该过流保护基准电压Vocp的关系为：

其中，系数a和b为：，。

4.如权利要求1所述的一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其特征在于： 该非线性过流基准电路包括压控电流源、电容、V0电压源、二极管、Voff电压源、比例放电器、第二开关以及第三开关，

该第二开关和该第三开关受关段时间信号的控制，当该功率开关开通时，该第二开关和该第三开关关段，该电容被充电；当该功率开关关段时，该第二开关和该第三开关导通，该电容被放电，该电容两端的电压与该V0电压源的串联作为该比例放大器的输入电压,该比例放大器的输出电压与该Voff电压源串联作为该过流保护基准电压。

5.如权利要求4所述的一种非线性电路实现反激变换器过流保护的方法，其特征在于： 由该电容充电的电流i1具体表达式为：

其中，i1为该电容充电的电流，C为该电容的电容值，Vc为该电容两端的电压，Ton为该第二开关和该第三开关导通时间，D*Tsw为通时间，

同时，该电容充电的电流i1又由该压控电流源的输入电压决定：

其中，i1为该电容充电的电流，Vc为该电容两端的电压，Vo为该V0电压源电压，

由以上关系得到该电容两端电压Vc的表达式为和该过流保护基准电压Vocp的表达式为：

其中，Vc为该电容两端的电压，Vo为该V0电压源电压，D*Tsw为通时间，C为该电容的电容值，Vocp为该过流保护基准电压，Voff为该Voff电压源电压，m、n为常量。