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

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(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)。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(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過(guò)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(huì)將其極性接錯(cuò),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(shí)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(jiǎn)單的極性保護(hù)電路如圖1所示。由于二極管D要流過(guò)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)

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(shí)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(huì)流過(guò)很大的浪涌電流,這個(gè)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(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。另外,浪涌電流也會(huì)損害電容器,使之壽命縮短,過(guò)早損壞。為此,開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻,通過(guò)這個(gè)限流電阻來(lái)對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過(guò)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(guò)程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它,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(lái)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(guò)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(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(lái),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)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)。

4 過(guò)電流保護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí),會(huì)引起流過(guò)穩(wěn)壓器中開關(guān)三極管的電流過(guò)大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過(guò)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(guò)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)三極管的安全工作區(qū)要求來(lái)選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格。這種過(guò)流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是帶來(lái)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)三極管,而必須使過(guò)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(guò)電流保護(hù)一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會(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(chǎng)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(guò)電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過(guò)、欠電壓保護(hù)。

5 過(guò)電壓保護(hù)

開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過(guò)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(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過(guò)電壓保護(hù)電路。

輸出過(guò)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(lái)說(shuō),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(guò)電壓保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)單的輸出過(guò)電壓保護(hù)