作者：劉峰

摘要：本文討論了直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)系統(tǒng)，提出了電源保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和整機(jī)?！?/span>
　　　護(hù)的措施，分析了開關(guān)穩(wěn)壓電源中各種保護(hù)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法，介紹了幾種實(shí)用的
保護(hù)電路。

敘詞：開關(guān)電源 保護(hù)電路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Abstract：The article focuses on the protecting system of DC switch regulated power supply, puts forward design principles for power supply protecting system and ways for whole-machine protection, analyses features of different protection in switch regulating power supply and finally introduces several practical protection circuits.

Keyword：Switch power supply, Protection circuit, System design

    1 引言　

    高頻開關(guān)直流電源模塊中所使用的大功率開關(guān)器件價(jià)格較貴，其控制電路亦比較復(fù)雜，另外，開關(guān)電源的負(fù)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(tǒng)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關(guān)電源模塊的保護(hù)應(yīng)該兼顧其本身和負(fù)載的安全。保護(hù)電路的種類很多，這里介紹極性保護(hù)、程序保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過熱保護(hù)等電路。通常選用幾種保護(hù)方式加以組合，構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)。

    2 極性保護(hù)

    直流電源模塊開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源，由于操作失誤或者意外情況會(huì)將其極性接錯(cuò)，此時(shí)將會(huì)損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護(hù)的目的就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時(shí)才能工作。利用單向?qū)ㄆ骷梢詫?shí)現(xiàn)電源的極性保護(hù)。最簡(jiǎn)單的極性保護(hù)電路如圖1所示。由于二極管D流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流，因此這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場(chǎng)合，則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以省去極性保護(hù)所需的大功率二極管，功耗也將減小。為了操作方便，便于識(shí)別極性開關(guān)正確與否，在圖1中的二極管之后接指示燈。

圖1 簡(jiǎn)單的極性保護(hù)

    3 程序保護(hù)

    直流電源模塊穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，基本上可以分為小功率控制部分和大功率開關(guān)部分。開關(guān)管則屬大功率器件，為保護(hù)開關(guān)管在開啟或關(guān)斷電源時(shí)的安全，必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率控制電路工作。所以，必須保證正確的開機(jī)程序。開關(guān)穩(wěn)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(jī)瞬間，濾波電容器會(huì)流過很大的浪涌電流，這個(gè)浪涌電流可高出正常輸入電流的數(shù)倍，這樣大的浪涌電流會(huì)使普通電源開關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化，并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷，甚至?xí)p害電容器。為此，開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻，通過這個(gè)限流電阻對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接，使直流電源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電，如圖2所示。這種電路稱之謂開關(guān)穩(wěn)壓器的“軟啟動(dòng)”電路。 

圖2 軟啟動(dòng)電路

    開關(guān)穩(wěn)壓器控制電路中的邏輯組件或運(yùn)算放大器需用輔助電源供電，為此，輔助電源必須先于開關(guān)電路工作，這可用開機(jī)程序控制電路來保證。一般的開機(jī)程序是：輸入電源的極性保護(hù)，電壓保護(hù)→開機(jī)程序電路工作→輔助電源工作并通過限流電阻R對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→ 開關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作，短接限流電阻→開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作。

    在開關(guān)穩(wěn)壓器中，剛開機(jī)時(shí)因?yàn)槠漭敵鲭娙萑萘看?，充到額定輸出電壓值需要一定時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣，根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)特性將迫使開關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)，這樣一來，開關(guān)三極管就會(huì)在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通而容易損壞。為此，要求在開機(jī)這一段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)調(diào)制電路輸出給開關(guān)管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能保證開關(guān)管由截止逐漸趨于正常的開關(guān)狀態(tài)，故而要加設(shè)開機(jī)保護(hù)以配合軟啟動(dòng)。

    4 過電流保護(hù)

    當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時(shí)，會(huì)引起流過穩(wěn)壓器開關(guān)管的電流過大，使其功耗增大而發(fā)熱，若沒有過流保護(hù)裝置，大功率開關(guān)管就有可能損壞。故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護(hù)是常用的，最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法是用保險(xiǎn)絲。由于晶體管的熱容量小，普通保險(xiǎn)絲一般不能起到保護(hù)作用，常用的是快速熔斷保險(xiǎn)絲。這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)，但是需要根據(jù)具體開關(guān)管的安全工作區(qū)要求來選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格。這種過流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是帶來經(jīng)常更換保險(xiǎn)絲的不便。

    在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但是，根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn)，這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開關(guān)管，而必須使過電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令，去控制調(diào)制器以保護(hù)開關(guān)管。在大功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，考慮到功耗應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此，通常將過電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護(hù)。

    5  過電壓保護(hù)

    開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)，包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源，諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高，會(huì)使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器件。因此有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路，如圖3所示。

圖3 輸入過電壓保護(hù)電路

    在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R，使晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開，切斷輸入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值VZ=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過電壓保護(hù)結(jié)合在一起構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過電壓保護(hù)電路。 

    輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對(duì)輸出為5V的開關(guān)穩(wěn)壓器來說，它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時(shí)開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)三極管突然損壞，輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值，瞬時(shí)造成很大的損失。常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。最簡(jiǎn)單的過電壓保護(hù)電路如圖4所示。當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，把輸出端短路，造成過電流，通過保險(xiǎn)絲或電路保護(hù)器將輸入切斷，保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開通時(shí)間，約為（5～10）μs。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓固定，溫度系數(shù)大，動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在參數(shù)的離散性，型號(hào)相同但過電壓起始值卻各不相同，給調(diào)試帶來了困難。圖5是改進(jìn)后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準(zhǔn)電壓。 

圖4 簡(jiǎn)單的輸出過電壓保護(hù)

圖5 輸出過電壓保護(hù)

    輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通。本電路的動(dòng)作電壓可變，并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時(shí)，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對(duì)于輸出為（5～5.5）V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動(dòng)作電壓是（5.5～6）V。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管溫度變化系數(shù)是（-20～-30）mV/℃。因此，溫度變化大的場(chǎng)合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。采用集成電路電壓比較器來檢測(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法。利用比較器輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。

6  欠電壓保護(hù)

    輸出電壓低于規(guī)定值時(shí)，反映了輸入直流電源、開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或者輸出負(fù)載發(fā)生異常。輸入直流電源電壓下降到規(guī)定值之下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關(guān)三極管，也危及輸入電源。因此，要設(shè)欠電壓保護(hù)。簡(jiǎn)單的欠電壓保護(hù)如圖6所示。 

    當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時(shí)，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，觸點(diǎn)吸合，開關(guān)穩(wěn)壓器加電。當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管ZD不通，V截止，觸點(diǎn)跳開，開關(guān)穩(wěn)壓器不能工作。開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部由于控制電路失?；蛘唛_關(guān)三極管失效，會(huì)使輸出電壓下降，負(fù)載發(fā)生短路也會(huì)使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn)壓器中，欠電壓的保護(hù)是跟過電流保護(hù)緊密相關(guān)的，因而更加重要。實(shí)現(xiàn)方法是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器，如圖7所示。 

圖6 輸入欠電壓保護(hù)

圖7 欠壓保護(hù)方框圖

    正常時(shí)，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(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)告警電路。同時(shí)，反饋到開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，使開關(guān)三極管截止或切斷輸入電源。

    7  過熱保護(hù)

    開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。否則，會(huì)使電路性能變壞，元器件過早失效。因此，在大

 采用溫度繼電器檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時(shí)，溫度繼電器動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的過熱保護(hù)。亦可將溫度繼電器置于開關(guān)三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電路，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。半導(dǎo)體熱敏開關(guān)器件“熱晶閘管”，在超溫保護(hù)方面有重要作用，它可以用作溫度指示電路。根據(jù)p型控制柵熱晶閘管的特性，由Rt〔見圖8(a)〕值確定該器件的導(dǎo)通溫度，Rt越大，導(dǎo)通溫度越低。當(dāng)將其放置在功率開關(guān)三極管附近或在電源裝置內(nèi)時(shí)，它能起到溫度指示作用。當(dāng)功率管的管殼溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過允許值時(shí)，熱晶閘管導(dǎo)通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機(jī)告警電路動(dòng)作，保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器。它亦可以像圖8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護(hù)，晶體開關(guān)管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)管截止，切斷集電極電流，防止過熱。 

(a)                              (b) 

圖8 過熱保護(hù)： (a) 采用P型熱晶閘管 ；(b) 采用N型熱晶閘管

    8  結(jié)束語(yǔ)

    對(duì)一個(gè)給定的開關(guān)穩(wěn)壓電源來說，還應(yīng)從整機(jī)保護(hù)方面考慮以下幾點(diǎn)要求。

    （1） 把開關(guān)穩(wěn)壓器中所應(yīng)用的開關(guān)三極管限制在直流安全工作區(qū)域之內(nèi)工作。

    （2） 把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術(shù)指標(biāo)之內(nèi)。

    （3） 由以上兩點(diǎn)確定了保護(hù)方式之后，再根據(jù)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。

    （4） 電源中加設(shè)了保護(hù)電路之后會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，為此，要求保護(hù)電路本身的可靠性要高，以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高電源本身的MTBF。

    （5） 必須全面系統(tǒng)地考慮開關(guān)電源各種保護(hù)措施，確保開關(guān)電源的正常工作和高效率與高可靠性。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 李愛文，現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M]，北京:科學(xué)出版社，2000

    [2] 何希才，新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]，北京:科學(xué)出版社，2001

    作者簡(jiǎn)介

    劉峰（1974—）男，工程師，東北電力大學(xué)畢業(yè)，研究方向?yàn)樽冸娬局绷麟娫聪到y(tǒng)的集成。