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作者：航天科技集團(tuán)五院510所 劉克承 王衛(wèi)國(guó) 來源:電子產(chǎn)品世界 2009-11-09 引言 在DC-DC變換器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮對(duì)用電負(fù)載的保護(hù)以及因用電負(fù)載的失效而對(duì)DC-DC變換器的保護(hù)。航天器用DC-DC變換器由于其高可靠、不可維修的特殊要求，因此在設(shè)計(jì)之初就要開展失效模式及影響分析的工作，即考慮組成DC-DC變換器的所有部件、元器件可能發(fā)生的各種故障對(duì)DC-DC變換器的影響，以及設(shè)計(jì)中相應(yīng)的糾正措施，以保證不會(huì)造成災(zāi)難性的后果。 電子線路類負(fù)載對(duì)電源的穩(wěn)定性要求一般不超過電源電壓的1%，在極端情況下不超過5%，機(jī)電類負(fù)載對(duì)電源的穩(wěn)定性要求相對(duì)較寬。為了保證用電設(shè)備的安全及可靠運(yùn)行，要針對(duì)電路中元器件及線路要素的各種失效模式設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路。過壓失效模式的分析中不考慮無關(guān)的雙重故障，即認(rèn)為兩個(gè)無關(guān)電路的不同元器件同時(shí)失效為極小概率事件。 二次電源過壓失效模式分析 DC-DC變換器是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，對(duì)于不同電路拓?fù)湟疠敵鲞^壓的故障點(diǎn)不盡相同。例如對(duì)于非隔離的Buck變換器，其串聯(lián)的功率MOSFET管一旦漏源極短路，輸入電壓會(huì)直接串到輸出端。又如，采用磁隔離采樣加輸出二次穩(wěn)壓的多路輸出DC-DC變換器，用于二次穩(wěn)壓的三端穩(wěn)壓器輸入輸出短路，也會(huì)導(dǎo)致輸出過壓。再如對(duì)于多路輸出的DC-DC變換器，由于交叉調(diào)整率差會(huì)帶來某路輸出電壓升高。 
對(duì)于一般單輸出隔離式的DC-DC變換器，可能引起輸出過壓的失效模式見表1。 一般過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 一般輸出端過壓保護(hù)可以采取強(qiáng)制法，即通過過電壓鉗位和快速斷路來實(shí)現(xiàn)。如通過在輸出端并接齊納二極管或可控硅實(shí)現(xiàn)鉗位輸出。見圖1和圖2。
除變壓器初次級(jí)短路造成輸出過壓的故障模式可以通過變壓器的絕緣設(shè)計(jì)來克服外，針對(duì)表1所列的其余過壓失效模式，本文設(shè)計(jì)了一種基于PWM的輸出限壓保護(hù)電路。
基于PWM的輸出限壓保護(hù)電路 脈寬調(diào)制型DC-DC變換器的輸出穩(wěn)壓通過如下方式實(shí)現(xiàn)：輸出電壓采樣值和基準(zhǔn)電壓值比較后產(chǎn)生誤差信號(hào)Ve和鋸齒波進(jìn)行比較后產(chǎn)生一定占空比的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率MOSFET管的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋穩(wěn)壓輸出。因此通過控制PWM誤差放大器的輸出電平就可以控制輸出電壓值，該電路就是基于這種原理設(shè)計(jì)的，電路見圖3。電路基本工作原理如下：當(dāng)DC-DC變換器工作于正常閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，PWM誤差放大器工作在線性放大區(qū)，其輸出電平取決于輸入信號(hào)電平和放大器的增益。圖3中的三極管V2工作在截至區(qū)，圖3所示的過壓保護(hù)電路不影響正常DC-DC變換器的正常閉環(huán)特性。當(dāng)DC-DC變換器工作于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，誤差放大器工作在飽和區(qū)。由于誤差放大器不是理想運(yùn)放，因此輸出電阻不為零，因此將其簡(jiǎn)化為一個(gè)含內(nèi)阻的電壓源。三極管V2工作在線性放大區(qū)，可以將其簡(jiǎn)化為受控可變電阻，因此圖3可以簡(jiǎn)化為圖4所示的等效電路。當(dāng)輸出電壓升高后，過壓采樣信號(hào)升高，導(dǎo)致Ib增大，使得V2的Ic增大，由于誤差放大器內(nèi)阻的存在，使誤差放大器的輸出電壓Ve降低，這樣就使PWM的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)變窄，使輸出電壓降低，最終穩(wěn)定在某一個(gè)電壓值上。
筆者用Saber-2005仿真軟件對(duì)這一應(yīng)用電路進(jìn)行了仿真分析，仿真電路見圖5。該電路是一個(gè)12V輸出的反激變換器，PWM采用電流型脈寬調(diào)制器UC1845。
電源正常輸出電壓為11.973V，電源輸出5ms后，采樣環(huán)路斷開，此時(shí)限壓保護(hù)電路工作，將輸出電壓限制在13.3V左右，仿真結(jié)果見圖6。
改變電阻R15的值，可以調(diào)整輸出電壓的限壓值。圖7是電阻R15阻值與輸出限壓值的仿真結(jié)果曲線。可以看出電阻R15從100Ω變化到1kΩ時(shí)，輸出限壓值從13.445V變化到14.119V。
結(jié)語(yǔ) 本文探討了航天器用DC-DC變換器的各種過壓失效模式，并設(shè)計(jì)了一種基于任何PWM的通用過壓保護(hù)電路，并給出了仿真結(jié)果。 參考文獻(xiàn)： [1] 張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]. 電子工業(yè)出版社, 2004 [2] Brown M, 徐德鴻, 沈旭, 楊成林等譯. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005 [3] 信號(hào)與系統(tǒng)[M]. 劉樹棠, 譯. 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1999 [4] Franklin G F, Powell J D, Emami-Naeini A. Feedback Control of Dynamic Systems[M]. 朱齊丹, 張麗珂, 原新等譯. 4th ed. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004 [5] Horowitz P, Hill W, 電子學(xué)[M]. 吳利民, 余國(guó)文, 歐陽(yáng)華等譯. 2nd Ed. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007 [6] Billings K. 開關(guān)電源手冊(cè)[M]. 張占松, 汪仁煌,謝麗萍譯. 2nd Ed. 北京: 人民郵電出版社, 2006 |
