保護(hù)電路中開關(guān)電源工程師必知的幾種

　　文中主要討論了直流開關(guān)電源內(nèi)部器件的各種保護(hù)方式，并介紹了一些具體電路.對一個給定的直流開關(guān)電源來說，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。因為開關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，所以對具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，通常選用幾種保護(hù)方式加以組合的方式構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)，確保直流開關(guān)電源的正常工作。

　　1 開關(guān)電源的原理及特點

　　1.1 工作原理

　　直流開關(guān)電源由輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、控制部分組成.功率轉(zhuǎn)換部分是開關(guān)電源的核心，它對非穩(wěn)定直流進(jìn)行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開關(guān)三極管和高頻變壓器組成.圖1畫出了直流開關(guān)電源的原理圖及等效原理框圖,它是由全波整流器,開關(guān)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(guān)電源的核心部分是一個直流變壓器。

　　1.2 特點

　　為了適應(yīng)用戶的需求,國內(nèi)外各大開關(guān)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(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件,以確保開關(guān)電源的輕、小、薄.因此直流開關(guān)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(guān)電源的缺點是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾，適應(yīng)惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱.由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國家還有一定的差距,因此直流開關(guān)電源的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價成本較高。

　　2 直流開關(guān)電源的保護(hù)

　　基于直流開關(guān)電源的特點和實際的電氣狀況，為使直流開關(guān)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(shè)計了多種保護(hù)電路。

　　2.1 過電流保護(hù)電路

　　在直流開關(guān)電源電路中，為了保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時不被燒毀.其基本方法是,當(dāng)輸出電流超過某一值時，調(diào)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 2 所示,過電流保護(hù)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 的分壓作用，使得 BG2 的基極電位比發(fā)射極電位低，發(fā)射結(jié)承受反向電壓。于是 BG2 處于截止?fàn)顟B(tài)(相當(dāng)于開路)，對穩(wěn)壓電路沒有影響。當(dāng)電路短路時，輸出電壓為零，BG2 的發(fā)射極相當(dāng)于接地,則 BG2 處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)(相當(dāng)于短路)，從而使調(diào)整管 BG1 基極和發(fā)射極近于短路,而處于截止?fàn)顟B(tài)，切斷電路電流,從而達(dá)到保護(hù)目的。

　　2.2 過電壓保護(hù)電路

　　直流開關(guān)電源中開關(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)。如果開關(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，將導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器件，因此開關(guān)電源中有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路.圖 3 為用晶體管和繼電器所組成的保護(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，穩(wěn)壓管擊穿,有電流流過電阻 R ，使晶體管T導(dǎo)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(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.。

　　2.3 軟啟動保護(hù)電路

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，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(guān)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(yīng)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(guān)穩(wěn)壓器的正常工作，而在開機暫態(tài)過程結(jié)束后,用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關(guān)電源的 “ 軟啟動 ” 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(dāng)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(dǎo)通并短路限流電阻 R1，開關(guān)電源處于正常運行狀態(tài).為了提高延遲時間的準(zhǔn)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.。

　　2.4 過熱保護(hù)電路

　　直流開關(guān)電源中開關(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，因此如果電源裝置內(nèi)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應(yīng)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(guān)電源中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)電路.本文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，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(hù).如圖 5 ( a )所示，在保護(hù)電路中將 P 型控制柵熱晶閘管放置在功率開關(guān)三極管附近，根據(jù) TT102 的特性(由 Rr 值確定該器件的導(dǎo)通溫度， Rr 越大,導(dǎo)通溫度越低)，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，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，就可使整機告警電路動作，保護(hù)開關(guān)電源.該電路還可以設(shè)計成如圖 5 ( b )所示，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 型控制柵熱晶閘管 TT201 旁路,開關(guān)管截止，切斷集電極電流,防止過熱.。