開關(guān)電源安全保護電路剖析

對于開關(guān)電源而言, 安全、可靠性歷來被視為重要的性能之一. 開關(guān)電源在電氣技術(shù)指標滿足電子設備正常使用要求的條件下, 還要滿足外界或自身電路或負載電路出現(xiàn)故障的情況下也能安全可靠地工作. 為此, 須有多種保護措施. 對保護電路的特點分析, 對存在不足期待克服, 希望設計出更安全、更可靠的保護電路。

1 浪涌電流電路剖析

浪涌電流是由于電壓突變所引起. 如電子設備在第一次加電壓時, 由于大容量電源電容器充電引起的涌入初始電流 開機浪涌電流; 又如直擊雷、感應雷沿著電源線進入開關(guān)電源的突變電壓所產(chǎn)生瞬態(tài)電流雷浪涌電流. 浪涌電流上升時間非?？? 持續(xù)時間非常短, 破壞作用非常大. 為防止或減輕浪涌電流的破壞, 設置抑制浪涌電流或?qū)⒗擞侩娏鬓D(zhuǎn)移到地線等方式來保護開關(guān)電源避免浪涌電流的損害。

1. 1 啟動限流保護

開關(guān)電源的初級整流電路有大容量濾波電容,開機瞬間整流管向這些大電容充電, 使整流管瞬時電流超過額定值. 為減小開機啟動限流( 浪涌電流) ,開關(guān)電源通常都設有抗沖擊電路. 如圖1 電路, 在開機瞬間, 開關(guān)電源變壓器的3、4 繞組電壓為0V, VD5截止, 晶閘管VD6 的G、K 極間電壓為0V, VD6 截止.充電電流路徑: AC220V→VD1- 4 正極→大電容C1→地→R2→VD1- 4 負極. 由于R2 有阻礙大電流作用( 一般設為3. 3Ω) , 因此能有效限制開機浪涌電流。

開關(guān)電源正常工作后, 開關(guān)電源變壓器的1、2繞組上產(chǎn)生感應電壓, 對C2 充電( 充電時間常數(shù)約等于R3×C2) , 使VD6 導通, 整流電流不再經(jīng)R2, 而是經(jīng)VD6 的A、K 極返回整流橋VD1- 4 的負極. 也就是說, 在正常工作狀態(tài), VD6 將R2 短路, 防止R2產(chǎn)生功耗.R2 僅在開機瞬間起作用。

用晶閘管作啟動限流保護安全可靠, 但電路比較復雜些, 從電路成本和電路簡捷等角度來說用溫控電阻作啟動限流保護, 它既經(jīng)濟又簡單更安全可靠, 如圖3。

1. 2 雷浪涌電流保護

電網(wǎng)輸電線受到雷擊或感應雷時, 輸電線中的感應突變電壓會產(chǎn)生浪涌電流. 為防范雷浪涌電壓和電流沖擊, 常在電源的輸入端并聯(lián)一個或幾個壓敏電阻來釋放雷浪涌電流的沖擊. 圖2 電路是用壓敏電阻來防范雷浪涌電流, 壓敏電阻Rv 常狀態(tài)下呈高阻抗( 近似開路) , 當電網(wǎng)輸電線遇到雷擊或感應雷, 壓敏電阻Rv 兩端瞬間超過它的啟動電壓, 它將立即由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 近似短路) , 使雷浪涌電流釋放, 同時交流保險絲F 熔斷, 起到防輸電線被雷擊或感應雷而損壞電子設備的目的。

1. 3 實際電路分析及仿真測試

圖3 電路是一個典型的實際開關(guān)電源部分電路

防雷單元: 當有雷擊, 產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導入電源時, 由Rv1、Rv2、Rv3、F1、F2、F3 和FDG 組成的電路進行保護. 當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時, 其阻值降低, 使高壓能量被壓敏電阻所消耗, 若電流過大, F1、F2、F3 會燒毀保護后級電路。

防開機浪涌單元: 當電源開啟瞬間, 要對C 充電, 由于瞬間電流大, 其能量全消耗在溫控電阻Rt上, 由于Rt 的特性是隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小( Rt 為負溫系數(shù)元件) , 瞬間溫度升高后Rt 阻值減小( 呈低阻抗) , 這時它消耗的能量非常小, 后級電路可正常工作. 溫控電阻Rt 由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 有效地防止浪涌電流。

模擬實驗: 用雷擊浪涌電流發(fā)生器模擬保護電路加入前后的實驗測試波形如圖4 和開機浪涌電流測試波形如圖5. 模擬實驗表明, 浪涌電流的共同點是作用時間短( 幾至幾十納秒) , 沖擊電流大( 雷擊浪涌電流可達幾十至幾千安培, 開機浪涌電流超過工作電流的數(shù)十倍以上) , 加入保護電路后尖峰被削去。

2 過流保護電路剖析

眾所周知, 當電源輸出端超過額定負載或短路或控制電路失去控制能力等意外情況時, 會造成電子設備不能正常工作或?qū)﹄娮釉O備造成損壞等. 過流保護電路有斷路法、振蕩器調(diào)頻法。

2. 1 斷路法過流保護

防范電路中的電流過流, 最經(jīng)濟簡便的方法是用保險絲. 保險絲熔斷保護分為交流保險和直流保險二類. 當負載電流發(fā)生意外其電流超過保險絲的熔斷值( 熔斷系數(shù)一般在1. 1~ 1. 5 之間) 時, 保險絲熔斷, 達到過流保護目的. 但在開機瞬間, 由于大電容的充電, 會產(chǎn)生很大的浪涌電流, 這個浪涌電流一般為正常輸入電流的數(shù)倍, 容易使保險絲熔斷, 而發(fā)生錯誤判斷, 這是它的主要缺陷。

2. 2 振蕩器調(diào)頻法過流保護

所謂調(diào)頻法就是通過檢測比較放大電路產(chǎn)生一個控制信號使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化, 使負載電壓降低, 從而達到負載電流減小目的. 通常過電流保護設定值為額定電流的110% ~ 130% , 能自動恢復。

在互感器的耦合下, 若輸出端有過載或短路情況發(fā)生時, 此時初級電流會很快的增加, 檢測電阻RS( 錳銅絲) 上的電壓VRS 就會增大. 在圖6( A) 此電壓VRS 超過V2 的B- E 導通電壓,V2 導通, 由于V2 集電極接的是振蕩電路的控制端, 使振蕩電路的振蕩減緩或停止振蕩. 在圖6( B)VRS 經(jīng)電壓比較器后輸出一個控制信號到振蕩電路, 調(diào)節(jié)振蕩頻率, 使輸出電壓降低, 減小負載電流, 達到保護的目的。

圖6( B) 與圖6(A) 的過流保護精度要高, 因( B) 電路設計了誤差比較和誤差放大電路。

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