直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)技術(shù)

直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)技術(shù)摘要：討論了直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)系統(tǒng),提出保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和整機(jī)保護(hù)的措施，分析了開關(guān)穩(wěn)壓電源中的各種保護(hù)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法,介紹了幾種實(shí)用保護(hù)電路。關(guān)鍵字：開關(guān)電源保護(hù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)1引言直流開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器中所使使用的大功率率開關(guān)器件價(jià)價(jià)格較貴,其控制電路路亦比較復(fù)雜雜,另外,開關(guān)穩(wěn)壓器器的負(fù)載一般般都是用大量量的集成化程程度很高的器器件安裝的電電子系統(tǒng)。晶晶體管和集成成器件耐受電電、熱沖擊的的能力較差。因因而開關(guān)穩(wěn)壓壓器的保護(hù)應(yīng)應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓壓器本身和負(fù)負(fù)載的安全。保保護(hù)電路的種種類很多,這里介紹極極性保護(hù)、程程序保護(hù)、過過電流保護(hù)、過過電壓保護(hù)、欠欠電壓保護(hù)以以及過熱保護(hù)護(hù)等電路。通通常選用幾種種保護(hù)方式加加以組合,構(gòu)成完善的的保護(hù)系統(tǒng)。2極性保護(hù)直流開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器的輸入入一般都是未未穩(wěn)壓直流電電源。由于操操作失誤或者者意外情況會(huì)會(huì)將其極性接接錯(cuò),將損壞開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓電源。極極性保護(hù)的目目的,就是使開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)當(dāng)以正確的極極性接上未穩(wěn)穩(wěn)壓直流電源源時(shí)才能工作作。利用單向向?qū)ǖ钠骷梢詫?shí)現(xiàn)電電源的極性保保護(hù)。最簡(jiǎn)單單的極性保護(hù)護(hù)電路如圖1所示。由于于二極管D要流過開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器的輸輸入總電流,因此這種電電路應(yīng)用在小小功率的開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器上比比較合適。在在較大功率的的場(chǎng)合,則把極性保保護(hù)電路作為為程序保護(hù)中中的一個(gè)環(huán)節(jié)節(jié),可以省去極極性保護(hù)所需需的大功率二二極管,功耗也將減減小。為了操操作方便,便于識(shí)別極極性正確與否否,在圖1中的二極管管之后,接指示燈。3程序保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓電電源的電路比比較復(fù)雜,基本上可以以分為小功率率的控制部分分和大功率的的開關(guān)部分。開開關(guān)晶體管則則屬大功率，為為保護(hù)開關(guān)晶晶體管在開啟啟或關(guān)斷電源源時(shí)的安全,必須先讓調(diào)調(diào)制器、放大大器等小功率率的控制電路路工作。為此此,要保證正確確的開機(jī)程序序。開關(guān)穩(wěn)壓壓器的輸入端端一般接有小小電感、大電電容的輸入濾濾波器。在開開機(jī)瞬間,濾波電容器器會(huì)流過很大大的浪涌電流流,這個(gè)浪涌電電流可以為正正常輸入電流流的數(shù)倍。這這樣大的浪涌涌電流會(huì)使普普通電源開關(guān)關(guān)的觸點(diǎn)或繼繼電器的觸點(diǎn)點(diǎn)熔化,并使輸入保保險(xiǎn)絲熔斷。另另外,浪涌電流也也會(huì)損害電容容器,使之壽命縮縮短,過早損壞。為為此,開機(jī)時(shí)應(yīng)該該接入一個(gè)限限流電阻,通過這個(gè)限限流電阻來對(duì)對(duì)電容器充電電。為了不使使該限流電阻阻消耗過多的的功率，以致致影響開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器的正常常工作,而在開機(jī)暫暫態(tài)過程結(jié)束束后，用一個(gè)個(gè)繼電器自動(dòng)動(dòng)短接它,使直流電源源直接對(duì)開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器供電電，如圖2所示。這種種電路稱之謂謂開關(guān)穩(wěn)壓器器的“軟啟動(dòng)”電路。開關(guān)穩(wěn)壓器器的控制電路路中的邏輯組組件或者運(yùn)算算放大器需用用輔助電源供供電。為此,輔助電源必必須先于開關(guān)電路工工作。這可用用開機(jī)程序控控制電路來保保證。一般的的開機(jī)程序是是:輸入電源的極極性鑒別,電壓保護(hù)→開機(jī)程序電路工作→輔助電源工工作并通過限限流電阻R對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓壓器的輸入電電容器C充電→開關(guān)穩(wěn)壓器器的調(diào)制電路路工作，短路路限流電阻→開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作。在開關(guān)穩(wěn)壓壓器中,剛開機(jī)時(shí),因?yàn)槠漭敵龀鲭娙萑萘看蟠?充到額定輸輸出電壓值需需要一定時(shí)間間。在這段時(shí)時(shí)間內(nèi),取樣放大器器輸入低的輸輸出電壓采樣樣,根據(jù)系統(tǒng)閉閉環(huán)調(diào)節(jié)特性性將迫使開關(guān)關(guān)三極管的導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)長(zhǎng),這樣一來,開關(guān)三極管管就會(huì)在這段段期間內(nèi)趨于于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞壞。為此,要求在開機(jī)機(jī)這一段時(shí)間間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電電路輸出給開開關(guān)三極管基基極的脈寬調(diào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)號(hào)，能保證開開關(guān)三極管由由截止逐漸趨趨于正常的開開關(guān)狀態(tài)，故故而要加設(shè)開開機(jī)保護(hù)以配配合軟啟動(dòng)。4過電流保護(hù)當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載載短路、過載載或者控制電電路失效等意意外情況時(shí),會(huì)引起流過過穩(wěn)壓器中開開關(guān)三極管的的電流過大，使使管子功耗增增大,發(fā)熱,若沒有過流流保護(hù)裝置,大功率開關(guān)關(guān)三極管就有有可能損壞。故故而在開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器中過電電流保護(hù)是常常用的。最經(jīng)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方方法是用保險(xiǎn)險(xiǎn)絲。由于晶晶體管的熱容容量小,普通保險(xiǎn)絲絲一般不能起起到保護(hù)作用用,常用的是快快速熔斷保險(xiǎn)險(xiǎn)絲。這種方方法具有保護(hù)護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，但是,需要根據(jù)具具體開關(guān)三極極管的安全工工作區(qū)要求來來選擇保險(xiǎn)絲絲的規(guī)格。這這種過流保護(hù)護(hù)措施的缺點(diǎn)點(diǎn)是帶來經(jīng)常常更換保險(xiǎn)絲絲的不便。在線性穩(wěn)壓壓器中常用的的限流保護(hù)和和電流截止保保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器中均能能應(yīng)用。但是是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器的特點(diǎn)點(diǎn),這種保護(hù)電電路的輸出不不能直接控制制開關(guān)三極管管,而必須使過過電流保護(hù)的的輸出轉(zhuǎn)換為為脈沖指令,去控制調(diào)制制器以保護(hù)開開關(guān)三極管。為為了實(shí)現(xiàn)過電電流保護(hù)一般般均需要用取取樣電阻串聯(lián)聯(lián)在電路中,這會(huì)影響電電源的效率,因此多用于于小功率開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器的場(chǎng)場(chǎng)合。而在大大功率的開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓電源中中,考慮到功耗耗，應(yīng)盡量避避免取樣電阻阻的接入。因因此,通常將過電電流保護(hù)轉(zhuǎn)換換為過、欠電電壓保護(hù)。5過電壓保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器器的過電壓保保護(hù)包括輸入入過電壓保護(hù)護(hù)和輸出過電電壓保護(hù)。開開關(guān)穩(wěn)壓器所所使用的未穩(wěn)穩(wěn)壓直流電源源諸如蓄電池池和整流器的的電壓如果過過高,使開關(guān)穩(wěn)壓壓器不能正常常工作,甚至損壞內(nèi)內(nèi)部器件,因此,有必要使用用輸入過電壓壓保護(hù)電路。用用晶體管和繼繼電器所組成成的保護(hù)電路路如圖3所示。在該電路中中，當(dāng)輸入直直流電源的電電壓高于穩(wěn)壓壓二極管的擊擊穿電壓值時(shí)時(shí)，穩(wěn)壓管擊擊穿，有電流流流過電阻R，使晶體管V導(dǎo)通，繼電電器動(dòng)作，常常閉接點(diǎn)斷開開，切斷輸入入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓壓值Vz=ESSrmax－UBE。輸入電源的極性性保護(hù)電路可可以跟輸入過過電壓保護(hù)結(jié)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與與過電壓保護(hù)護(hù)電路。輸出過電壓壓保護(hù)在開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓電源中中是至關(guān)重要要的。特別對(duì)對(duì)輸出為5V的開關(guān)穩(wěn)壓壓器來說,它的負(fù)載是是大量的高集集成度的邏輯輯器件。如果果在工作時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器器的開關(guān)三極極管突然損壞壞,輸出電位就就可能立即升升高到輸入未未穩(wěn)壓直流電電源的電壓值值,瞬時(shí)造成很很大的損失。常常用的方法是是晶閘管短路路保護(hù)。最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的過電壓壓保護(hù)電路如如圖4所示。當(dāng)輸輸出電壓過高高時(shí),穩(wěn)壓管被擊擊穿,觸發(fā)晶閘管管導(dǎo)通,把輸出端短短路,造成過電流,通過保險(xiǎn)絲絲或電路保護(hù)護(hù)器將輸入切切斷,保護(hù)了負(fù)載載。這種電路路的響應(yīng)時(shí)間間相當(dāng)于晶閘閘管的開通時(shí)時(shí)間，約為5～10μs。它的缺點(diǎn)點(diǎn)是動(dòng)作電壓壓是固定的，溫溫度系數(shù)大，動(dòng)動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定定。另外，穩(wěn)穩(wěn)壓管存在著著參數(shù)的離散散性，型號(hào)相相同但過電壓壓起動(dòng)值卻各各不相同，給給調(diào)試帶來了了困難。圖5是改進(jìn)后的的電路。其中中R1、R2是取樣電路路，Vz是基準(zhǔn)電壓壓。輸出電壓EEsc突然升高，晶晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘閘管就導(dǎo)通。基基準(zhǔn)電壓Vz由式來確定，UUBE1為V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓降。本本電路的動(dòng)作作電壓可變，并并且動(dòng)作點(diǎn)相相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時(shí)，其溫度度系數(shù)和晶體體管V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓的溫溫度系數(shù)可以以抵消，能使使溫度系數(shù)降降得很低。但但是對(duì)于輸出出為5～5.5V的直流開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器來說說，其常用的的動(dòng)作電壓是是5.5～6V。那么穩(wěn)壓壓管電壓必在在3.5V以下下，此電壓附附近的穩(wěn)壓管管的溫度變化化系數(shù)是－20～－30mV/℃。因此,溫度變化大大的場(chǎng)合保護(hù)護(hù)電路還會(huì)發(fā)發(fā)生誤動(dòng)作。采采用集成電路路電壓比較器器來檢測(cè)開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器的輸輸出電壓，是是目前較為常常用的方法，利利用比較器的的輸出狀態(tài)的的改變跟相應(yīng)應(yīng)的邏輯電路路配合，構(gòu)成成過電壓保護(hù)護(hù)電路，這種種電路既靈敏敏又穩(wěn)定。6欠電壓保護(hù)輸出電壓低低于規(guī)定值時(shí)時(shí)，反映了輸輸入直流電源源、開關(guān)穩(wěn)壓壓器內(nèi)部或者者輸出負(fù)載發(fā)發(fā)生了異常。輸輸入直流電源源電壓下降到到規(guī)定值之下下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致致開關(guān)穩(wěn)壓器器的輸出電壓壓跌落，輸入入電流增大，既既危及開關(guān)三三極管，也危危及輸入電源源。因此，要要設(shè)欠電壓保保護(hù)。簡(jiǎn)單的的欠電壓保護(hù)護(hù)如圖6所示。當(dāng)未穩(wěn)壓輸輸入的電壓值值正常時(shí)，穩(wěn)穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體體管V導(dǎo)通，繼電電器動(dòng)作，觸觸點(diǎn)吸合，開開關(guān)穩(wěn)壓器加加電。當(dāng)輸入入低于所允許許的最低電壓壓值時(shí)，穩(wěn)壓壓管ZD不通，V截止，觸點(diǎn)點(diǎn)跳開，開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器不能能工作。開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部部，由于控制制電路失?；蚧蛘唛_關(guān)三極極管失效會(huì)使使輸出電壓下下降；負(fù)載發(fā)發(fā)生短路也會(huì)會(huì)使輸出電壓壓下降。特別別在升壓型或或反相升壓型型的直流開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器中欠欠電壓的保護(hù)護(hù)是跟過電流流保護(hù)緊密相相關(guān)的，因而而更加重要。實(shí)實(shí)現(xiàn)方法是在在開關(guān)穩(wěn)壓器器的輸出端接接電壓比較器器，如圖7所示。正常時(shí)，比比較器沒有輸輸出，一旦電電壓跌落在允允許值之下比比較器就翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)告警警電路;同時(shí)反饋到到開關(guān)穩(wěn)壓器器的控制電路路，使開關(guān)三三極管截止或或切斷輸入電電源。7過熱保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器器的高集成化化和輕量小體體積，使其單單位體積內(nèi)的的功率密度大大大提高，電電源裝置內(nèi)部部的元器件對(duì)對(duì)其工作環(huán)境境溫度的要求求也相應(yīng)提高高。否則，會(huì)會(huì)使電路性能能變壞，元器器件過早失效效。因此在大大功率開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓器中應(yīng)該該設(shè)過熱保護(hù)護(hù)。采用溫度繼繼電器來檢測(cè)測(cè)電源裝置內(nèi)內(nèi)部的溫度，當(dāng)當(dāng)電源裝置內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)生過熱熱時(shí)，溫度繼繼電器就動(dòng)作作，使整機(jī)告告警電路處于于告警狀態(tài)，實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的的過熱保護(hù)。亦亦可將溫度繼繼電器置于開開關(guān)三極管的的附近，一般般大功率管允允許的最高管管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫溫度超過允許許值后繼電器器就切斷電器器，對(duì)開關(guān)管管進(jìn)行保護(hù)。半半導(dǎo)體熱敏開開關(guān)器件“熱晶閘管”在超溫保護(hù)護(hù)方面有重要要作用。它可可以用作溫度度指示電路。根根據(jù)p型控制柵熱熱晶閘管(TT1002)的特性，由RT〔見圖8(a)〕值確定該該器件的導(dǎo)通通溫度，RT越大，導(dǎo)通通溫度越低。當(dāng)當(dāng)將其放置功功率開關(guān)三極極管附近，或或在電源裝置置內(nèi)時(shí)，它就就能起到溫度度指示作用。當(dāng)當(dāng)功率管的管管殼溫度或者者裝置內(nèi)部的的溫度超過允允許值時(shí)，熱熱晶閘管就導(dǎo)導(dǎo)通，使發(fā)光光二極管發(fā)亮亮告警。倘若若配合光電耦耦合器，就可可使整機(jī)告警警電路動(dòng)作，保保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓壓器。它亦可可以象圖8(b)那樣用作功功率晶體管的的過熱保護(hù)，晶晶體開關(guān)管的的基極電流被被n控制柵型熱熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)關(guān)管截止，切切斷集電極電電流,防止過熱。8結(jié)語(yǔ)以上分別討討論了在開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器中的的各種保護(hù)方方式,并介紹了一一些具體實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的方法。對(duì)對(duì)一個(gè)給定的的開關(guān)穩(wěn)壓電電源來說，還還應(yīng)從整機(jī)保保護(hù)方面考慮慮以下幾點(diǎn)：：1)把開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器中所所應(yīng)用的開關(guān)關(guān)三極管限制制在直流安全全工作區(qū)域之之內(nèi)工作。對(duì)對(duì)于選定的開開關(guān)三極管,由晶體管手手冊(cè)可查得其其直流安全工工作區(qū)。根據(jù)據(jù)集電極電流流的最大值來來確定輸入過過電流的保護(hù)護(hù)值。但是,這個(gè)瞬時(shí)最最大值應(yīng)轉(zhuǎn)換換為電流的平平均值。在額額定輸出電流流與輸出電壓壓的條件下,開關(guān)管的動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)載線不不超過直流安安全工作區(qū)的的最大輸入電電壓,就是輸入過過電壓保護(hù)的的電壓值。2)把開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器的輸輸出限制在所所給定的技術(shù)術(shù)指標(biāo)之內(nèi)。在在所要求的工工作溫度范圍圍內(nèi),開關(guān)穩(wěn)壓器器的輸出電壓壓的上、下限限就是輸出過過、欠電壓保保護(hù)的電壓值值。過電流保保護(hù)則可根據(jù)據(jù)最大輸出電電流來確定。為為了不誤告警警,保護(hù)值應(yīng)適適當(dāng)留一定的的余量。3)由以上上兩點(diǎn)確定保保護(hù)方式之后后,再根據(jù)電源源裝置的需要要來確定告警警措施。一般般告警措施有有聲警和光警警兩種。聲警警適用于整機(jī)機(jī)比較復(fù)雜、電電源部分又裝裝在不顯眼的的地方,它可以給工工作人員以有有效的故障告告警;光警可以醒醒目地指示故故障告警并指指出故障發(fā)生生的部位和類類型。保護(hù)措措施要視所保保護(hù)的部位來來確定。在大大功率,多路電源的的場(chǎng)合,總是用交、直直流斷路器,高靈敏繼電電器等構(gòu)成自自動(dòng)保護(hù)措施施,切斷電源的的輸入使系統(tǒng)統(tǒng)停止工作,免受損害。通通過邏輯控制制電路使相應(yīng)應(yīng)的開關(guān)三極極管截止的方方案顯得既靈靈敏方便又經(jīng)經(jīng)濟(jì)。這樣可可以省去體積積大,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),價(jià)格貴的大大功率繼電器器或斷路器。4)電源中中加設(shè)了保護(hù)護(hù)電路之后會(huì)會(huì)影響系統(tǒng)的的可靠性，為為此要求保護(hù)護(hù)電路本身的的可靠性要高高，以提高整整個(gè)電源系統(tǒng)統(tǒng)的可靠