直流開關穩壓電源的保護技術

摘要：討論了直流開關穩壓電源的保護系統,提出保護系統設計的原則和整機保護的措施，分析了開關穩壓電源中的各種保護的特點及其設計方法,介紹了幾種實用保護電路。

關鍵詞：開關電源；保護電路；系統設計

Protection Techniques of DC Switching Voltage Stabilizer

YANG Bi- shi, JIANG Jin- zhou?

Abstract:The protection system of DC switching voltage stabilizer is discussed， and the principle of protection system design and measure of protecting the whole machine are put forward.All kinds protection′ s traits and design way of DC switching voltage stabilizer are analysed， and the several pratical protection circuits are introduced.

? Keywords:Switching power supply; Protection circuit; Desigin of system

1? 引言

??? 直流開關穩壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控制電路亦比較復雜,另外,開關穩壓器的負載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關穩壓器的保護應該兼顧穩壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多,這里介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護以及過熱保護等電路。通常選用幾種保護方式加以組合,構成完善的保護系統。

2? 極性保護

??? 直流開關穩壓器的輸入一般都是未穩壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源。極性保護的目的,就是使開關穩壓器僅當以正確的極性接上未穩壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖1所示。由于二極管D要流過開關穩壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環節,可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識別極性正確與否,在圖1中的二極管之后,接指示燈。

圖1? 簡單的極性保護

3? 程序保護

??? 開關穩壓電源的電路比較復雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關部分。開關晶體管則屬大功率，為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,必須先讓調制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關穩壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機瞬間,濾波電容器會流過很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。另外,浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機時應該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關穩壓器的正常工作,而在開機暫態過程結束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩壓器供電，如圖2所示。這種電路稱之謂開關穩壓器的“軟啟動”電路。

圖2? 軟啟動電路

??? 開關穩壓器的控制電路中的邏輯組件或者運算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先于開關電路工作。這可用開機程序控制電路來保證。一般的開機程序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護→開機程序電路工作→輔助電源工作并通過限流電阻R對開關穩壓器的輸入電容器C充電→開關穩壓器的調制電路工作，短路限流電阻→開關穩壓器穩定工作。

??? 在開關穩壓器中,剛開機時,因為其輸出電容容量大,充到額定輸出電壓值需要一定時間。在這段時間內,取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據系統閉環調節特性將迫使開關三極管的導通時間加長,這樣一來,開關三極管就會在這段期間內趨于連續導通,而容易損壞。為此,要求在開機這一段時間內,開關調制電路輸出給開關三極管基極的脈寬調制驅動信號，能保證開關三極管由截止逐漸趨于正常的開關狀態，故而要加設開機保護以配合軟啟動。

4? 過電流保護

??? 當出現負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時,會引起流過穩壓器中開關三極管的電流過大，使管子功耗增大,發熱,若沒有過流保護裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩壓器中過電流保護是常用的。最經濟簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護作用,常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護容易的優點，但是,需要根據具體開關三極管的安全工作區要求來選擇保險絲的規格。這種過流保護措施的缺點是帶來經常更換保險絲的不便。

??? 在線性穩壓器中常用的限流保護和電流截止保護在開關穩壓器中均能應用。但是,根據開關穩壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉換為脈沖指令,去控制調制器以保護開關三極管。為了實現過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關穩壓器的場合。而在大功率的開關穩壓電源中,考慮到功耗，應盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護轉換為過、欠電壓保護。

5? 過電壓保護

??? 開關穩壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。開關穩壓器所使用的未穩壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高,使開關穩壓器不能正常工作,甚至損壞內部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器所組成的保護電路如圖3所示。

圖3? 輸入過電壓保護

??? 在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩壓二極管的擊穿電壓值時，穩壓管擊穿，有電流流過電阻R，使晶體管V導通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。其中穩壓管的穩壓值Vz=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一起,構成極性保護鑒別與過電壓保護電路。

??? 輸出過電壓保護在開關穩壓電源中是至關重要的。特別對輸出為5V的開關穩壓器來說,它的負載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時,開關穩壓器的開關三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升高到輸入未穩壓直流電源的電壓值,瞬時造成很大的損失。常用的方法是晶閘管短路保護。最簡單的過電壓保護電路如圖4所示。

圖4? 簡單的輸出過電壓保護

??? 當輸出電壓過高時,穩壓管被擊穿,觸發晶閘管導通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險絲或電路保護器將輸入切斷,保護了負載。這種電路的響應時間相當于晶閘管的開通時間，約為5～10μs。它的缺點是動作電壓是固定的，溫度系數大，動作點不穩定。另外，穩壓管存在著參數的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，給調試帶來了困難。圖5是改進后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。

圖5? 輸出過電壓保護

??? 輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導通，晶閘管就導通。基準電壓Vz由式

???? Esc=(R1＋R2)(Vz＋UBEI)/R1

來確定，UBE1為V1的發射結（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當穩定。當穩壓管為7V時，其溫度系數和晶體管V1的發射結（BE）電壓的溫度系數可以抵消，能使溫度系數降得很低。但是對于輸出為5～5.5V的直流開關穩壓器來說，其常用的動作電壓是5.5～6V。那么穩壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩壓管的溫度變化系數是－20～－30mV/℃。因此,溫度變化大的場合保護電路還會發生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關穩壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態的改變跟相應的邏輯電路配合，構成過電壓保護電路，這種電路既靈敏又穩定。

6? 欠電壓保護

??? 輸出電壓低于規定值時，反映了輸入直流電源、開關穩壓器內部或者輸出負載發生了異常。輸入直流電源電壓下降到規定值之下時，會導致開關穩壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關三極管，也危及輸入電源。因此，要設欠電壓保護。簡單的欠電壓保護如圖6所示。

圖6? 輸入欠電壓保護

??? 當未穩壓輸入的電壓值正常時，穩壓管ZD擊穿，晶體管V導通，繼電器動作，觸點吸合，開關穩壓器加電。當輸入低于所允許的最低電壓值時，穩壓管ZD不通，V截止，觸點跳開，開關穩壓器不能工作。

??? 開關穩壓器內部，由于控制電路失常或者開關三極管失效會使輸出電壓下降；負載發生短路也會使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關穩壓器中欠電壓的保護是跟過電流保護緊密相關的，因而更加重要。實現方法是在開關穩壓器的輸出端接電壓比較器，如圖7所示。

圖7? 欠壓保護方框圖

??? 正常時，比較器沒有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉，驅動告警電路;同時反饋到開關穩壓器的控制電路，使開關三極管截止或切斷輸入電源。

7? 過熱保護

??? 開關穩壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內的功率密度大大提高，電源裝置內部的元器件對其工作環境溫度的要求也相應提高。否則，會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率開關穩壓器中應該設過熱保護。

??? 采用溫度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機告警電路處于告警狀態，實現對電源的過熱保護。亦可將溫度繼電器置于開關三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調節溫度整定值為60℃。當管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電器，對開關管進行保護。

??? 半導體熱敏開關器件“熱晶閘管”在超溫保護方面有重要作用。它可以用作溫度指示電路。根據p型控制柵熱晶閘管(TT102)的特性，由RT〔見圖8(a)〕值確定該器件的導通溫度，RT越大，導通溫度越低。當將其放置功率開關三極管附近，或在電源裝置內時，它就能起到溫度指示作用。當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過允許值時，熱晶閘管就導通，使發光二極管發亮告警。

??? 倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動作，保護開關穩壓器。它亦可以象圖8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護，晶體開關管的基極電流被n控制柵型熱晶閘管TT201旁路，開關管截止，切斷集電極電流,防止過熱。

(a)? 采用P型熱晶閘管?????????????????????????????????????????? (b)? 采用n型熱晶閘管

圖8? 過熱保護

8? 結語

??? 以上分別討論了在開關穩壓器中的各種保護方式,并介紹了一些具體實現的方法。對一個給定的開關穩壓電源來說，還應從整機保護方面考慮以下幾點：

??? 1)把開關穩壓器中所應用的開關三極管限制在直流安全工作區域之內工作。對于選定的開關三極管,由晶體管手冊可查得其直流安全工作區。根據集電極電流的最大值來確定輸入過電流的保護值。但是,這個瞬時最大值應轉換為電流的平均值。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關管的動態負載線不超過直流安全工作區的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護的電壓值。

??? 2)把開關穩壓器的輸出限制在所給定的技術指標之內。在所要求的工作溫度范圍內,開關穩壓器的輸出電壓的上、下限就是輸出過、欠電壓保護的電壓值。過電流保護則可根據最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護值應適當留一定的余量。

??? 3)由以上兩點確定保護方式之后,再根據電源裝置的需要來確定告警措施。一般告警措施有聲警和光警兩種。聲警適用于整機比較復雜、電源部分又裝在不顯眼的地方,它可以給工作人員以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障發生的部位和類型。保護措施要視所保護的部位來確定。在大功率,多路電源的場合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構成自動保護措施,切斷電源的輸入使系統停止工作,免受損害。通過邏輯控制電路使相應的開關三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經濟。這樣可以省去體積大,響應時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器。

??? 4)電源中加設了保護電路之后會影響系統的可靠性，為此要求保護電路本身的可靠性要高，以提高整個電源系統的可靠性，進而提高電源本身的MTBF。這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單、元器件最少，除此而外還要考慮到保護電路本身出故障時維修難度和其所保護的電源損壞程度。

??? 所以必須全面系統地考慮開關電源各種保護措施，確保開關電源的正常工作和高效率與高可靠性。

參考文獻

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