高頻開關(guān)直流電源的保護(hù)技術(shù)

1 引言

高頻開關(guān)直流電源模塊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)電源的負(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)電源模塊的保護(hù)應(yīng)該兼顧其本身和負(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)

直流電源模塊開關(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)，此時(shí)將會(huì)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)ㄆ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(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，便于識別極性開關(guān)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)

直流電源模塊穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，基本上可以分為小功率控制部分和大功率開關(guān)部分。開關(guān)管則屬大功率器件，為保護(hù)開關(guān)管在開啟或關(guān)斷電源時(shí)的安全，必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率控制電路工作。所以，必須保證正確的開機(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)流過很大的浪涌電流，這個(gè)浪涌電流可高出正常輸入電流的數(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，甚至?xí)p害電容器。為此，開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻，通過這個(gè)限流電阻對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接，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(dòng)”電路。

圖2 軟啟動(dòng)電路

開關(guān)穩(wěn)壓器控制電路中的邏輯組件或運(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：輸入電源的極性保護(hù)，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，短接限流電阻→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，這樣一來，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)管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號，能保證開關(guān)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(shí)，會(huì)引起流過穩(wěn)壓器開關(guān)管的電流過大，使其功耗增大而發(fā)熱，若沒有過流保護(hù)裝置，大功率開關(guān)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(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)管的安全工作區(qū)要求來選擇保險(xiǎn)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(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)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)管。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，會(huì)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，如圖3所示。

圖3 輸入過電壓保護(hù)電路

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(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)。最簡單的過電壓保護(hù)電路如圖4所示。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(5～10)μs。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓固定，溫度系數(shù)大，動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在參數(shù)的離散性，型號相同但過電壓起始值卻各不相同，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。