第二章開關電源保護電路.ppt

1、2 過流保護電路的設計,（1）電流傳感器檢測過流保護電路,* 組成,電流信號檢測電路,過流信號處理電路,封鎖開關脈沖電路,* 簡單的保護方法,利用熔斷器，但動作慢，不足以實現(xiàn)快速保護，一般使用由電子元器件構成的保護電路。,* 電流信號檢測電路,脈沖電流后沿尖峰是開關管關斷時的初級漏感和引線電感造成的。,脈沖電流前沿尖峰是由次級整流二極管的反向恢復造成的變壓器次級暫時短路引起的。,* 過流信號處理電路,過流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過流保護應該是不可以自恢復的。,實現(xiàn)方式，反饋自鎖。,加兩級濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。,* 封鎖開關脈沖電路,（2）功率開關管過流狀態(tài)的自動識別,

2、* 注意，與截止時的電壓相區(qū)別。,* 具有快速、可靠、方便的優(yōu)點。,可自鎖的處理電路,把過流信號處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護信號輸入端即可。,* 根據(jù)：GTR、GTO、IGBT等的導通壓降是和導通時通過的電流有關的，當管子中電流增加時，其導通壓降也會明顯上升。,* 功率MOSFET是阻性負載，導通壓降也和導通時的電流有關。,二 輸出過壓、欠壓保護電路,1 過壓、欠壓狀態(tài)的判斷,* 比較器A用于輸出過壓判斷。,* 比較器B用于輸出欠壓判斷。,* 調整電阻R1、R2、R3可改變保護點。,、,* 正常時，UB=“0”；保護時， UB=“1”。,上限,下限,2 保護,把過壓、欠壓判斷電路的

3、輸出加到集成PWM控制器的保護信號輸入端即可。,3 小功率電源中的過壓保護,* 利用穩(wěn)壓二極管結合過流保護電路可實現(xiàn)。,* 選擇穩(wěn)壓值UZ大于輸出電壓1V左右的穩(wěn)壓二極管，當發(fā)生過壓時，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓被箝位在UZ，同時產(chǎn)生較大的電流，使過流保護電路動作。,* 對于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。,三 輸入過壓保護電路,1 輸入連續(xù)過壓保護,（1）基本方法,* 是在濾波電容后取樣，對瞬間過壓不起作用。,* 利用R6、R5、T1可改變基準電壓，避免產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。,* 保護時，利用發(fā)出的保護信號可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級DC/DC變換器工作。,（3）改進方法,（2）存在問題,保護不徹底

4、，后級DC/DC變換器雖停止工作，功率開關得到保護，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過濾波電容的耐壓值時，濾波電容會過壓擊穿。,* 在判斷保護后，發(fā)出保護信號同時，控制繼電器或接觸器動作、斷開主回路；不過壓時，繼電器觸點吸合，不影響正常工作。,* 特點：, 保護徹底，適合中、大功率電源中應用；, 電路復雜，成本高。,2 輸入瞬間過壓保護,（1）原因,（2）保護方法,* 電網(wǎng)上電感性負載的開、關，雷電感應等都會在電網(wǎng)電壓上產(chǎn)生尖峰電壓，有的達數(shù)千伏。,* 這些尖峰電壓的能量有強有弱，一般雷電引起的尖峰電壓能量較強，有可能損壞電源。,* 在輸入端并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻。,* 當交流尖峰電壓串入時，經(jīng)EMI濾波

5、器后，有了一定的衰減；,* 若衰減后的尖峰仍大于壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值時，則壓敏電阻的阻值急劇下降，把尖峰能量吸收，電源得到保護。,* 要合理選擇壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值，一般要高于連續(xù)工作電壓上限的20%左右。,四 軟啟動電路,1 軟啟動,* 軟啟動是指電源啟動時，其輸出電壓隨時間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。,* 需要軟啟動的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開始工作時電容兩端電壓為零，未儲能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導致：,* 軟啟動時間，指輸出電壓上升到0.9U0時所用時間，一般為幾百毫秒。, 在很短時間內形成很大的充電電流，對整流二極管、功率開關、電容自身都會造成嚴重的過流沖擊。

6、, 易使過流或短路保護動作，影響電源的正常啟動及使用壽命。,2 軟啟動過程,3 軟啟動實現(xiàn)方法,* 指電源啟動時，使功率開關管的驅動脈寬從0開始緩慢地展寬到額定輸出電壓時所對應的寬度。,* 軟啟動可利用電容的充電特性來實現(xiàn)。,* 供電時，基準電壓UREF立刻建立，但電容C的存在，使電壓誤差放大器同相輸入端電壓從零逐漸上升、使PWM脈沖寬度從零開始緩慢展寬。,* 關機時，電容C通過電阻R2放電，再次啟動時仍具有軟啟動功能。,5 軟啟動與輸入浪涌電流抑制電路的關系,* 在輸入濾波電容充電結束，限流電阻短路后，輸出軟啟動電路才開始工作。,4 軟啟動控制電路設計,* 在各種PWM控制芯片里，一般都有軟

7、啟動控制電路，只需要在設置端外接一個電容即可。,* 如需要對其進行控制時：, X=1時，三極管導通、無脈沖輸出；, X=0時，三極管截止、正常啟動工作。,五 過熱保護,1 熱敏電阻,2 溫度開關,4.4 熱回路設計,一 半導體器件熱設計的必要性,1 器件芯片最高允許結溫的限制,器件芯片的溫度超過結溫，將引起器件電的或熱的不穩(wěn)定，而導致器件的失效。,一般，硅材料在200以下，鍺材料在100 以下。,二 功率開關管損耗計算,1 電阻性負載開關管的開關損耗,2 半導體器件還要受到溫度變化的限制,半導體芯片是通過焊劑焊在基座上的，因為其接觸部分熱膨脹系數(shù)不同，所以外部溫度頻繁變化時，會使結合面材料疲軟

8、，致使兩個表面分離，最終導致器件的失效。,開關管兩端電壓下降和開關管中電流上升是同步的，只是方向相反。,開通電流上升時間,關斷電流下降時間,2 電感性負載開關管的開關損耗,* 在開關管截止期間，iC=0、 iL= iD，負載通過二極管續(xù)流、 uce=Ui。,* 導通時，iC增加到iL以前，二極管仍導通，uce=Ui，只有經(jīng)過tvr后iL= ic，二極管截止， uce下降、經(jīng)tvf后下降到零而關斷。,* 關斷時，iC稍一下降，二極管便開始導通、 uce經(jīng)很短時間tvr上升到Ui 、電流才開始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關斷。,3 開關管的導通損耗,* 對于GTR、GTO、IGBT ，Uces有

9、一定的參考值。,* 對于MOSFET，一般給出Rds ，其損耗為,4 開關管的截止損耗,很小可忽略,二 二極管損耗計算,1 二極管的反向恢復損耗,2 二極管的通態(tài)損耗,3 二極管的開通損耗,二極管的開通時間很短，開通損耗可忽略。,4 二極管的截止損耗,二極管的截止漏電流很小，截止損耗可忽略。,UDM二極管承受的反向電壓,三 熱的傳輸方式,熱的傳輸有三種形式：傳導、對流、輻射,* 傳導是熱能從一個質點傳導下一個質點，而質點保持不動的過程。,1 傳導,* 熱的傳導與電的傳輸相似：上式中的P是熱流功率，A為傳導體的截面積，L為傳導體的長度，括號內為溫度差。,* K 是材料的導熱率，其量綱為W/cm2

10、 。,* 銅的導熱率為4.01；鋁的導熱率為2.25。,* 此式與導體中的電流計算式相似，所以可以應用分析電路的方法分析熱路。,* 對流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對流，稱為自然對流。相對的還有強迫對流，就是強迫將被加熱的介質帶走熱量。,2 對流,* 被加熱的介質變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對流.,3 輻射,* 輻射是借助于電磁波的形式將熱傳輸出去。它與輻射面的表面積、粗糙度和顏色有關。,* 三種傳熱方式往往同時存在，熱傳輸是多維的。,* 如，芯片到外殼的熱傳輸主要是傳導，對流和輻射可忽略不計；在高空條件下，對流處于次要地位，主要是傳導和輻射散熱。,四 熱路歐姆定律,1 熱阻,* 表示

11、介質傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，用Rth表示。,* 熱阻的單位是/W,* 一般在說明熱阻時，要說明從某處到某處的熱阻。,2 熱路歐姆定律,* 根據(jù)熱電相似原理引入熱路的概念,* 在熱路中，熱流相當于電路中的電流，熱阻相當于電路中的電阻，溫度差相當于電位差。,* 即，當熱量從A物體向它周圍的B物體擴散，A物體的溫升等于A物體的發(fā)熱功率與從A到B的熱阻的乘積。,* 如物體內有N個發(fā)熱點，其熱功率分別為P1、P2 Pn，則引起A處溫升的總功率為,3 等效熱路,* 開關電源中的功率開關管或整流二極管的等效熱路,* 在散熱系統(tǒng)中，芯片會與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分

12、別如圖所示。,* 殼與環(huán)境的熱阻要遠大于殼與散熱器的熱阻，所以前一熱路可等效為后一熱路。,* Tj、TC、TS、Ta分別是芯片、殼、散熱器、環(huán)境溫度。,* Rjc、Rca、Rcs、Rsa分別是芯片到殼、殼到環(huán)境、殼到散熱器、散熱器到環(huán)境的熱阻。,* 該環(huán)路中流動的是熱功率,* 應該注意到該熱路及方程只是穩(wěn)態(tài)時等效熱路,五.外部熱阻的確定方法和散熱器設計,1 芯片到殼的熱阻,* 芯片到殼的熱阻可通過廠家提供的手冊查找,* 不提供時，可用下式計算,Tjm公司給出的最高允許結溫,TC環(huán)境25時最高允許殼溫,PCM公司給出的最大允許功耗,* 一般,2 殼到散熱器的熱阻,* 殼到散熱器的熱阻與二者之間的接觸面積及粗糙程度有關，為接觸熱阻。,* A 是接觸面積（cm）、 為接觸系數(shù)（cm2）/W、金屬金屬，有硅脂時為0.5；無硅脂時為1。,* 如果二者之間需要加絕緣，可用后式計算。,* 其中，K為導熱率，L為墊片厚度，A 為墊片截面積。,3 散熱器到環(huán)境的熱阻,* 鋁型材散熱器當翼片氣流方向垂直于水平面，光潔表面，黑色氧化時，有經(jīng)驗公式,A 為散熱器的表面面積（cm2） P 為流入散熱器的功率（W）,4 散熱器設計,