直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)技術(shù)

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)了負(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5～10μs。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(dòng)作電壓可變，并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時(shí)，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(duì)于輸出為5～5.5V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動(dòng)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(huì)發(fā)生誤動(dòng)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(shí)，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(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，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(shí)，穩(wěn)壓管ZD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。

開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部，由于控制電路失常或者開關(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(shí)，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(dòng)告警電路;同時(shí)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(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)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時(shí)，溫度繼電器就動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(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(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。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(shí)，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(shí)，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(dòng)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)

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(duì)一個(gè)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(duì)于選定的開關(guān)三極管,由晶體管手冊(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(dòng)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(shí)間長,價(jià)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(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(shí)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。