高頻開關(guān)直流電源的保護技術(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)器件價格較貴，其控制電路亦比較復(fù)雜，另外，開關(guān)電源的負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)電源模塊的保護應(yīng)該兼顧其本身和負載的安全。保護電路的種類很多，這里介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護以及過熱保護等電路。通常選用幾種保護方式加以組合，構(gòu)成完善的保護系統(tǒng)。

2 極性保護

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將其極性接錯，此時將會損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護的目的就是使開關(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)ㄆ骷梢詫崿F(xiàn)電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖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，則把極性保護電路作為程序保護中的一個環(huán)節(jié)，可以省去極性保護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

3 程序保護

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，為保護開關(guān)管在開啟或關(guān)斷電源時的安全，必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率控制電路工作。所以，必須保證正確的開機程序。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，在開機瞬間，濾波電容器會流過很大的浪涌電流，這個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使普通電源開關(guān)的觸點或繼電器的觸點熔化，并使輸入保險絲熔斷，甚至?xí)p害電容器。為此，開機時應(yīng)該接入一個限流電阻，通過這個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，在開機暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個繼電器自動短接，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”電路。

圖2 軟啟動電路

開關(guān)穩(wěn)壓器控制電路中的邏輯組件或運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，這可用開機程序控制電路來保證。一般的開機程序是：輸入電源的極性保護，電壓保護→開機程序電路工作→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，剛開機時因為其輸出電容容量大，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，要求在開機這一段時間內(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)開機保護以配合軟啟動。

4 過電流保護

當(dāng)出現(xiàn)負載短路、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)壓器中過電流保護是常用的，最經(jīng)濟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作用，常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護容易的優(yōu)點，但是需要根據(jù)具體開關(guān)管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格。這種過流保護措施的缺點是帶來經(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和電流截止保護在開關(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，這種保護電路的輸出不能直接控制開關(guān)管，而必須使過電流保護的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令，去控制調(diào)制器以保護開關(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，通常將過電流保護轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護。

5 過電壓保護

開關(guān)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。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電路，如圖3所示。

圖3 輸入過電壓保護電路

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，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電路可以跟輸入過電壓保護結(jié)合在一起構(gòu)成極性保護鑒別與過電壓保護電路。

輸出過電壓保護在開關(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。最簡單的過電壓保護電路如圖4所示。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器將輸入切斷，保護了負載。這種電路的響應(yīng)時間相當(dāng)于晶閘管的開通時間，約為(5～10)μs。它的缺點是動作電壓固定，溫度系數(shù)大，動作點不穩(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是改進后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。