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)計方法,介紹了幾種實(shí)用保護(hù)電路。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;保護(hù)電路;系統(tǒng)設(shè)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(guān)穩(wěn)壓器中所使用的大功率開關(guān)器件價格較貴,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)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。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。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將其極性接錯,將損壞開關(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)壓直流電源時才能工作。利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫?shí)現(xiàn)電源的極性保護(hù)。最簡單的極性保護(hù)電路如圖1所示。由于二極管D要流過開關(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。在較大功率的場合,則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個環(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(hù)

3 程序保護(hù)

開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率，為保護(hù)開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時的安全,必須先讓調(diào)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(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(shù)倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關(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(jī)時應(yīng)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(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關(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”電路。

圖2 軟啟動電路

開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路中的邏輯組件或者運(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:輸入電源的極性鑒別,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，短路限流電阻→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,因?yàn)槠漭敵鲭娙萑萘看?充到額定輸出電壓值需要一定時間。在這段時間內(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)通時間加長,這樣一來,開關(guān)三極管就會在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞。為此,要求在開機(jī)這一段時間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電路輸出給開關(guān)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，能保證開關(guān)三極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。

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,會引起流過穩(wěn)壓器中開關(guān)三極管的電流過大，使管子功耗增大,發(fā)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絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護(hù)作用,常用的是快速熔斷保險絲。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)三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(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)三極管,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)三極管。為了實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關(guān)穩(wěn)壓器的場合。而在大功率的開關(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,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。用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 輸入過電壓保護(hù)

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，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,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,瞬時造成很大的損失。常用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4所示。

圖4 簡單的輸出過電壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓過高時,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)時間相當(dāng)于晶閘管的開通時間，約為5～10μs。它的缺點(diǎn)是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，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。基準(zhǔn)電壓Vz由式

Esc=(R1+R2)(Vz+UBEI)/R1

來確定，UBE1為V1的發(fā)射結(jié)(BE)電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時，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。但是對于輸出為5～5.5V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動作電壓是5.5～6V。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是-20～-30mV/℃。因此,溫度變化大的場合保護(hù)電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(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，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)生了異常。輸入直流電源電壓下降到規(guī)定值之下時，會導(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)。簡單的欠電壓保護(hù)如圖6所示。

圖6 輸入欠電壓保護(hù)

當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動作，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，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)三極管失效會使輸出電壓下降;負(fù)載發(fā)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(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7 欠壓保護(hù)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(zhuǎn)，驅(qū)動告警電路;同時反饋到開關(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)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)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(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)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對電源的過熱保護(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器，對開關(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(TT102)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)將其放置功率開關(guān)三極管附近，或在電源裝置內(nèi)時，它就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，熱晶閘管就導(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)告警電路動作，保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器。它亦可以象圖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控制柵型熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)管截止，切斷集電極電流,防止過熱。

(a) 采用P型熱晶閘管 (b) 采用n型熱晶閘管

圖8 過熱保護(hù)

[!--empirenews.page--]8 結(jié)語

以上分別討論了在開關(guān)穩(wěn)壓器中的各種保護(hù)方式,并介紹了一些具體實(shí)現(xiàn)的方法。對一個給定的開關(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)：

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。對于選定的開關(guān)三極管,由晶體管手冊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,這個瞬時最大值應(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)管的動態(tài)負(fù)載線不超過直流安全工作區(qū)的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護(hù)的電壓值。

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)。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)則可根據(jù)最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護(hù)值應(yīng)適當(dāng)留一定的余量。

3)由以上兩點(diǎn)確定保護(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。聲警適用于整機(jī)比較復(fù)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(fā)生的部位和類型。保護(hù)措施要視所保護(hù)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(gòu)成自動保護(hù)措施,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)三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經(jīng)濟(jì)。這樣可以省去體積大,響應(yīng)時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器。

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

所以必須全面系統(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。