開關(guān)電源的保護(hù)電路設(shè)計(jì)_圖文

1、*收稿日期 2007-04-14作者簡介 張海燕 (1978- , 女 , 陜西咸陽人 , 重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教 , 重慶大學(xué)光電學(xué)院在讀碩士研究生 . 2007年 10月 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 O ct . , 2007第 26卷 第 5期Jou rnal of Chongqing Un i versit y ofA rts and S ci en ces (N at u ral Sci ence Ed iti on Vol . 26 No . 5開關(guān)電源的保護(hù)電路設(shè)計(jì)張海燕(重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 , 重慶 400712摘 要 基于開關(guān)電源的特點(diǎn) , 闡述了開關(guān)電源保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原

2、則和整機(jī)保護(hù)的措 施 , 介紹了多種實(shí)用的開關(guān)電源保護(hù)電路 .關(guān)鍵詞 開關(guān)電源 ; 設(shè)計(jì)原則 ; 保護(hù)電路中圖分類號(hào) T M 56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-8012(2007 05-0033-04 開關(guān)電 源 (也 稱非 線性 穩(wěn)壓電 源 與線 性穩(wěn) 壓電 源 相比 , 省去了笨 重的 工頻 變壓 器 , 調(diào)整 管 工作 在開 關(guān) 狀 態(tài) . 這使其具有功耗小 、 效率 高 、 體積小 、 重量 輕 、 穩(wěn)壓 范 圍寬等許多優(yōu)點(diǎn) . 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 電力電子設(shè)備與 人們的工作 、 生活的關(guān)系日益密切 , 而電子設(shè)備都離不開 可靠 的電源 , 因此直 流開關(guān)電源 開始發(fā)揮越 來

3、越重要 的 作用 , 并相繼進(jìn)入電子 、 電器設(shè) 備等領(lǐng)域 , 程控交換機(jī) 、 電 子檢 測設(shè)備電 源 、 控 制設(shè)備電源 等都已廣泛 使用直流 開 關(guān)電 源 . 直 流開關(guān)穩(wěn) 壓器中所使 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)穩(wěn)壓 器的 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) . 開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜 , 晶體管和集成器件 耐受電 、 熱沖擊的能力較差 , 在 使用過程中給用戶帶來很 大不 便 , 因 而開關(guān)穩(wěn) 壓器的保護(hù) 應(yīng)該兼顧穩(wěn) 壓器本身 和 負(fù)載的安全 . 為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載的安全 , 筆者 根據(jù)開關(guān)

4、電源的電路 特點(diǎn) , 介紹了浪涌電流保護(hù) 、 過壓保 護(hù) 、 過流保護(hù) 、 欠壓保 護(hù) 、 反 峰電壓 保護(hù)以 及過熱 保護(hù) 電 路 . 在實(shí)際的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中 , 通常選用幾種保護(hù)方式加 以組合 , 構(gòu)成完善的開關(guān)電源保護(hù)系統(tǒng) . 1 開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原則1. 1 把開 關(guān)穩(wěn)壓器中 應(yīng)用的開 關(guān)三極管限 制在直流 安 全工作區(qū)域內(nèi)工作對(duì)于選定的開關(guān) 三極管 , 由三 極管手 冊(cè)可查 得其 直 流安 全工作區(qū) , 根據(jù) 集電極電流 的最大值來 確定輸入 過 電流的保護(hù)值 . 但是 , 這個(gè)瞬時(shí) 最大值應(yīng)轉(zhuǎn)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(guān)管的動(dòng) 態(tài)負(fù) 載線

5、不超 過直流安全 工作區(qū)的最 大輸入電 壓 , 即 輸 入過電壓保護(hù)的電壓 值 .1. 2 把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在給定的技術(shù)指標(biāo)內(nèi)在所要求的工作 溫度范 圍內(nèi) , 開關(guān)穩(wěn) 壓器的 輸出 電壓的上 、 下限就是輸 出過 、 欠電壓 保護(hù)的電 壓值 . 過電 流 保護(hù)可根據(jù)最大輸出電流來確定 . 為了不產(chǎn)生誤 報(bào)警 , 保 護(hù)值應(yīng)適當(dāng)留一定的余量 . 2 整機(jī)保護(hù)措施由上述保護(hù)電路設(shè)計(jì)原 則確定 保護(hù)方 式后 , 再根 據(jù) 電源裝置的 需要來確定 報(bào)警措施 . 一般 報(bào)警措施有 聲警 和光警兩種 . 聲警適用于整機(jī)比較復(fù)雜 、 電源部分裝在不 顯眼的地方 , 可以給工作人員以有效的故障報(bào)警 ;

6、光警可 以醒目地指 示故障報(bào) 警并指出故 障發(fā)生的部 位和類型 . 保護(hù)措施要視所保護(hù)的部位而確定 . 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(gòu)成 自 動(dòng)保護(hù)裝置 , 切 斷電 源的 輸入 使 系統(tǒng) 停止 工作 , 免受 損 害 . 通過 邏輯控制 電路使相應(yīng) 的開關(guān)三 極管截止的 方案 既靈敏 、 方便又經(jīng)濟(jì) . 這樣可以省去體積大 、 響應(yīng)時(shí)間長 、 價(jià)格貴的大功率繼電器或斷路器 .電源中加設(shè)了保護(hù)電路 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 M

7、 TBF (M ean T i m e Be -t ween F ail ure , 平均無故障時(shí)間 . 這就要求保護(hù)的邏 輯嚴(yán) 密 , 電路簡單 , 元器件最少 , 此外 還要考 慮到保 護(hù)電路 本 身出故障時(shí)維修難度和其保護(hù)的電源的損壞程度 . 3 開關(guān)電源各種保護(hù)電路 3. 1 抑制浪涌電流電路開關(guān)電源的輸 入電 路大 都采 用 電容 濾波 型 整流 電 路 , 在進(jìn)線電源 合閘 瞬間 , 由于 電容 器上 的初 始 電壓 為 零 , 充電瞬間會(huì)形成很大的浪涌電流 , 特別是大功率開關(guān) 電源采用容量較大 的濾波 電容 器 , 浪涌 電流 可達(dá) 100A 以上 . 在電源接通瞬間如此大的浪

8、涌電流 , 重者往往會(huì)導(dǎo) 致輸入熔斷 器燒斷或合 閘開關(guān)的 觸點(diǎn)燒壞 , 整流橋 過流 損壞 ; 輕者會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘 . 上述現(xiàn)象均會(huì)造成開關(guān)電源無法正常工作 . 因此 , 幾 乎所有開關(guān)電源都設(shè)置了 防止 浪涌電流 的軟啟動(dòng)電 路 , 以 保證電源正 常而可靠 地 運(yùn)行 . 抑制浪涌電流的方法有以下幾種 :3. 1. 1 熱敏電阻保護(hù)法 抑制浪涌電流最 簡單且有效的方法就是在開關(guān)電源 整流濾波電路的主電 路中串聯(lián)一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 R TH , 它的冷態(tài)電阻大 , 熱態(tài)電 阻小 . 當(dāng)電路 剛接通 時(shí) , 該 熱敏電阻的阻值很大 , 從而限制了電路啟動(dòng)電流 , 以避免 開機(jī)時(shí)產(chǎn) 生

9、 大 的浪 涌 電 流 ; 幾 秒 鐘 后 , 電 源 正 常工 作 , R TH 的溫度上升 , 電 阻趨 于零 , 失去 了限 流 作用 . 熱 敏 電 阻 R T H 抑制浪涌電流的 時(shí)間很短 , 所以它平時(shí)耗電很少 . 3. 1. 2 晶閘管保護(hù)法 晶閘 管保 護(hù)法的 電路 如圖 1所示 . 晶 閘管 VS 與 電 阻并聯(lián) . 對(duì)于晶閘管 , 陽極與 陰極之 間加正 偏電壓 , 門 極 與陰 極之間加 正偏電壓 :以上兩 條件同時(shí)滿 足時(shí)晶閘 管 才導(dǎo)通 . 一旦晶閘管導(dǎo) 通 , 門 極就對(duì) 其失去 控制 . 在開 機(jī) 瞬間 , 晶閘管門極上還未加控制脈沖 , 是截止的 , 電阻 R1

10、串聯(lián)在電路中起到抑 制浪涌電流的作用 ; 當(dāng)電源啟動(dòng)后 , 開關(guān) 管導(dǎo)通 , 高頻變 壓器的晶閘 管觸發(fā)繞組 上產(chǎn)生的 交 流脈 沖通過二 極管加在晶 閘管的門極 上 , 使 其導(dǎo)通并 短 路電阻 R1, 電路進(jìn)入 正常狀態(tài) . 在圖 1中 , 晶 閘管 V S 也 可以為雙向晶閘管 , 此時(shí)二極管 D 7就省掉了. 圖 1 晶閘管保護(hù)法3. 1. 3 繼電器保護(hù)法 圖 2是采用繼電器 K 和限流電阻 R1構(gòu) 成的防浪 涌 電流電路 . 電源接通瞬 間 , 輸 入電壓 經(jīng)整流 (D 1D 4 和 限流電阻 R1對(duì) 濾波電容器 C1充電 , 防止接通瞬間的 浪 涌 電流 , 同時(shí)輔助電源 V c

11、c 經(jīng)電阻 R 2對(duì)并接于繼電器 K 線包的電容器 C2充電 ; 當(dāng) C2上的電壓達(dá)到繼電 器 K 的 動(dòng)作電壓時(shí) , K 動(dòng)作 , 其觸點(diǎn) K1. 1閉合 而旁路 限流電 阻 R1失去作用 , 電 源進(jìn)入正常 運(yùn)行 狀態(tài) . 限 流的延 遲時(shí) 間 取決于時(shí)間常數(shù) (R2C2, 通 常選 取為 0. 30. 5s . 為 提 高延 遲時(shí)間的 準(zhǔn)確性以及 防止繼電器 動(dòng)作抖動(dòng) 振蕩 , 延 遲電路可采用圖 3所示的電路替代 R2C2延遲電路 . 3. 2 過流保護(hù)電路當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路 、 過載 或控制 電路失 效等意 外情 況 時(shí) , 流過穩(wěn)壓器中開關(guān)三極管的電流過大 , 使管子功耗增 大 、 發(fā)

12、熱 . 若沒有過流 保護(hù)裝 置 , 大 功率開 關(guān)三極 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) , 但需要根據(jù)具體 開關(guān)三極管 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.圖 2繼電保護(hù)法圖 3 延遲電路在直流開關(guān)電源電路中 , 要保護(hù)調(diào)整管在電 路短路 、 電流增大時(shí)不被燒毀 , 基本方法是 :當(dāng)輸出電流超過某一 值時(shí) , 調(diào)整管處于反向偏

13、置狀態(tài)從而截止 , 自動(dòng)切斷電路 電流 . 過電流保護(hù)電路由三極管 BG 2和分 壓電阻 R4、 R5組成 , 如圖 4所示 . 電路正常工作時(shí) , 通過 R4與 R 5的分壓作用 , 使得 BG 2的基極 電位比 發(fā)射極 電位高 , 發(fā)射 結(jié) 承受反向電壓 , 于是 BG 2處于 截止?fàn)?態(tài) (相 當(dāng)于開 路 , 對(duì)穩(wěn)壓電路 沒 有 影響 . 當(dāng) 電路 短 路 時(shí) , 輸 出 電 壓 為零 , BG 2的發(fā)射極相 當(dāng)于 接地 , BG 2處 于飽 和導(dǎo) 通狀 態(tài) (相 當(dāng)于短路 , 從而使 調(diào)整管 BG 1基 極和發(fā) 射極 近于短 路 而處于截止?fàn)顟B(tài) , 切 斷電路電 流 , 從而達(dá)到 保護(hù)

14、 的目的 . 但這種方法 會(huì)影響電源 的效率 , 因此多 用于小功率 開關(guān) 穩(wěn)壓器的場合 . 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).圖 4 過電流保護(hù)電路3. 3 過電壓保護(hù)電路開關(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) . 3. 3. 1 輸入過電壓保護(hù) 電路開關(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 , 開關(guān)穩(wěn)壓器就不能正常工作 , 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 . 用晶體管和繼電器 組成的 保護(hù)電

15、路如圖 5所示 . 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)壓管被擊穿 , 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. 圖 5 輸入過電壓保護(hù)電路3. 3. 2 輸出過電壓保護(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)造成很大損失 . 常用

16、的方法 是晶閘管短路保護(hù) . 最簡 單的過 電壓保 護(hù)電路 如圖 6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)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 510s . 它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓 是固定 的 , 溫度系數(shù)大 , 動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定 . 另外 , 穩(wěn) 壓管存在著參數(shù) 的離散性 , 型號(hào)相同但過電壓起動(dòng)值卻各不相同 , 給調(diào)試 帶來了困難. 圖 6 輸出過電壓保護(hù)電路圖 7是改進(jìn) 后的電 路 . 圖 7中 , TL431是 精密可調(diào) 基 準(zhǔn)電源 , 改電路 利用

17、 了 TL431內(nèi) 部的臨 界電 壓 V re. f R1、 R2對(duì)輸出電壓串連分壓 , 得出取樣 電壓加在 TL431的參 考端 . 當(dāng)輸出電壓超過一定電壓時(shí) , TL431觸發(fā) , 使 雙向晶 閘管 V S 導(dǎo)通 , 產(chǎn)生瞬間大電流將保險(xiǎn)絲熔斷從而 保護(hù)后級(jí)電路或負(fù)載 . 其中 , 保護(hù)點(diǎn)電壓 V =(1+R 1/R2 V re.f圖 7 輸出過電壓保護(hù)改進(jìn) 電路3. 4 欠電壓保護(hù)電路輸出電壓低于規(guī)定值時(shí) , 反映了輸入直流電 源 、 開關(guān) 穩(wěn)壓器內(nèi)部 或輸出負(fù)載 發(fā)生了異 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

18、, 既危及開關(guān)三極管 , 也危及輸入電源 . 因此 , 要設(shè)置欠電壓保護(hù) . 簡單的欠電 壓保護(hù)電路 如圖 8所示 . 當(dāng)未 穩(wěn)壓 輸 入的 電 壓值 正 常 時(shí) , 穩(wěn) 壓管 ZD 被 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.圖 8 欠電壓保護(hù)電路開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部由于控制電路失?；蜷_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 . 特別是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

19、 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 , 其 電路原理圖如圖 9所示.圖 9 輸出欠電壓保護(hù)電 路3. 5 反峰電壓保護(hù)電路開關(guān)電源的高頻變壓器 的初級(jí) 繞組并 聯(lián)由 電阻 、 電容和 二極管組 成的反峰電 壓保護(hù)電路 , 其作 用是消除 開 關(guān)管 從飽和導(dǎo) 通狀態(tài)突然 轉(zhuǎn)換為截止 狀態(tài)時(shí) , 開關(guān)變 壓 器初 級(jí)繞組電 感下端產(chǎn)生 的瞬間反向 高壓 , 以免疊加 在 原直流電壓上將開 關(guān)管擊 穿 . 其電路如 圖 10所示 . 由 電 阻 R1、 電容 C3、 C4和二極 管 D 組成 的 反峰 電壓 保護(hù) 電 路 , 當(dāng)開

20、關(guān)管 V 由導(dǎo)通 突變 為截 止時(shí) , 高 頻變 壓器 T 的 初級(jí)繞組中的持續(xù)電 流將向電容 C3、 C4快速充電 , 并 被 電阻 R1吸收 , 從而減 小開關(guān) 管 V 集 電極 上出現(xiàn) 的反 峰 電壓 , 防止開關(guān)管 V 被擊穿 .圖 10 反峰電壓保護(hù)電路3. 6 過熱保護(hù)電路開關(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 , 在大功 率開關(guān) 穩(wěn)壓器 中應(yīng) 該 設(shè)過熱保護(hù) .采用溫度繼電器 來檢測 電源裝 置內(nèi)部的

21、 溫度 , 當(dāng) 電 源裝置內(nèi)部過熱時(shí) , 溫度繼電器就動(dòng)作 , 使整機(jī)報(bào)警電路 處于報(bào)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 斷電器 , 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 , 可以用作溫度指示電路 . 如 圖 11所示的電路中 , 根 據(jù) p 型控制柵熱晶閘 管 (TT102, 如 圖 11中 虛線 框內(nèi) 所示 的特 性 , 由 熱敏 電阻 RT 值確

22、定該 器件 的導(dǎo) 通溫 度 . RT 越大 , 導(dǎo)通溫度就越低 . 當(dāng)將其 放置在功率開關(guān)三極管附 近 , 或電源裝置內(nèi)時(shí) , 它就能起 到溫度指示作用 .當(dāng)功率管的 管殼溫度 或裝置內(nèi)部 的溫度超過 允許值時(shí) , 熱晶閘管就導(dǎo)通 , 使發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警 . 倘若配合光電 耦合器 , 就可使整機(jī)報(bào)警電路動(dòng)作 , 保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器 .圖 11 過熱保護(hù)電路4 結(jié)語對(duì)一個(gè)給定的直流開關(guān) 電源來 說 , 保護(hù)電 路是否 完 善并按預(yù)定 設(shè)置工作 , 對(duì)電源 裝置的安 全性和可靠 性至 關(guān)重要 . 因?yàn)殚_關(guān) 電源的保護(hù) 方案和電 路結(jié)構(gòu)具有 多樣 性 , 所以對(duì)具體電源裝置而言 , 應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和 電路結(jié)構(gòu) . 如果開關(guān)電源中用的是集成控制電路 , 則可以 根據(jù)該控制 器件的特點(diǎn) , 利用 其某些引 腳來設(shè)置保 護(hù)電 路 , 例如 TL494脈寬 控制 器件 , 可 用 其死 區(qū)控 制 來設(shè) 置 過壓 、 過流保護(hù)電路 .在實(shí)際應(yīng)用中 , 通常 選用幾 種保護(hù)