常用的直流開關電源保護電路

隨著科學技術的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，因此直流開關電源開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了直流開關電源。同時隨著許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數(shù)校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術等技術的發(fā)展，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。但是由于開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據(jù)了直流開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路。文中主要討論了直流開關電源內部器件的各種保護方式，并介紹了一些具體電路。

　　開關電源的原理及特點

　　1.工作原理

　　直流開關電源由輸入部分、功率轉換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉換部分是開關電源的核心，它對非穩(wěn)定直流進行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開關三極管和高頻變壓器組成。圖1畫出了直流開關電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關管V，激勵信號，續(xù)流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，直流開關電源的核心部分是一個直流變壓器。

　　圖1：直流開關電源原理

　　2.特點

　　為了適應用戶的需求，國內外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是通過改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(Mn-Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，同時SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。因此直流開關電源的發(fā)展趨勢是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。

　　直流開關電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，適應惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱。由于國內微電子技術、阻容器件生產(chǎn)技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因此直流開關電源的制作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高，

　　直流開關電源的保護

　　基于直流開關電源的特點和實際的電氣狀況，為使直流開關電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據(jù)不同的情況設計了多種保護電路。

　　1.過電流保護電路

　　在直流開關電源電路中，為了保護調整管在電路短路、電流增大時不被燒毀。其基本方法是，當輸出電流超過某一值時，調整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動切斷電路電流。如圖1所示，過電流保護電路由三極管BG2 和分壓電阻R4、R5組成。電路正常工作時，通過R4與R5的壓作用，使得BG2 的基極電位比發(fā)射極電位高，發(fā)射結承受反向電壓。于是BG2 處于截止狀態(tài)(相當于開路)，對穩(wěn)壓電路沒有影響。當電路短路時，輸出電壓為零，BG2 的發(fā)射極相當于接地，則BG2 處于飽和導通狀態(tài)(相當于短路)，從而使調整管BG1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止狀態(tài)，切斷電路電流，從而達到保護目的。

　　圖2：過電流保護電路

　　2.過電壓保護電路

　　直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。如果開關穩(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，將導致開關穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內部器件，因此開關電源中有必要使用輸入過電壓保護電路。

　　圖3：過電壓保護電路

　　圖3為用晶體管和繼電器所組成的保護電路，在該電路中，當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T導通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一起，構成極性保護鑒別與過電壓保護電路。

　　3. 軟啟動保護電路

　　開關穩(wěn)壓電源的電路比較復雜，開關穩(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的觸點或繼電器的觸點熔化，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，開機時應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，以致影響開關穩(wěn)壓器的正常工作，而在開機暫態(tài)過程結束后，用一個繼電器自動短接它，使直流電源直接對開關穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關電源的“軟啟動”電路 。

　　圖4：軟啟動保護電路

　　如圖4(a)所示，在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋(D1～D4)和限流電阻R1對電容器C充電，限制浪涌電流。當電容器C充電到約80%額定電壓時，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管導通并短路限流電阻R1，開關電源處于正常運行狀態(tài)。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用圖4(b)所示電路替代RC延遲電路。

　　4.過熱保護電路

　　直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應提高，必然會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率直流開關電源中應該設過熱保護電路。

　　圖5：過熱保護電路

　　本文采用溫度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機告警電路處于告警狀態(tài)，實現(xiàn)對電源的過熱保護。如圖5(a)所示，在保護電路中將P型控制柵熱晶閘管放置在功率開關三極管附近，根據(jù)TT102的特性(由Rr值確定該器件的導通溫度，Rr越大，導通溫度越低)，當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過允許值時，熱晶閘管就導通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動作，保護開關電源。該電路還可以設計成如圖5(b)所示，用作功率晶體管的過熱保護，晶體開關管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關管截止，切斷集電極電流，防止過熱。