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电源设备保护电路的优化设计
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引言
评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。
1 有源电磁干扰滤波器的原理与应用
有源电磁干扰滤波器简称有源EMI 滤波器，它是把有源器件集成在微封装的芯片中，专门用来抑制电磁干扰的滤波器。与传统的无源EMI滤波器相比，有源EMI 滤波器不仅具有优良的噪声衰减特性，而且功能强大，有的还能实现热插拔，可大大节省印制板（PCB）的空间，适用于电源及电子设备、医疗仪器等领域。
有源EMI 滤波器的典型产品有美国Vicor 公司生产的QPI（Quiet Power Input）系列，主要包括QPI－3L～QPI－6L，QPI－8L。QPI系列EMI 滤波器的产品分类见表1。其中，QPI－8L 属于带热插拔（Hot-swap）功能的有源EMI滤波器。
1.1 QPI－8L型有源EMI滤波器的性能特点
QPI－8L符合直流48V或60V总线的要求，能对150 kHz～30MHz 的传导噪声（共模噪声及差模噪声）进行衰减，在250 kHz 时的共模噪声衰减能力大于40dB，差模噪声衰减能力大于70 dB。它能在80V直流电压下连续工作，并能承受100V直流浪涌电压，其对地绝缘电压为1500V，最大工作电流为6A，最大负载为200W。与无源EMI滤波器相比，共模噪声衰减能力可提高20dB，差模噪声衰减能力可提高10～30dB。具有浪涌电流限制及断路、可编程欠电压/过电压保护、电源电压正常指示等功能。默认的欠电压阈值为34V（关断时的滞后电压为2V）；过电压阈值为76V（关断时的滞后电压为4V）；利用外部分压电阻还可改变欠电压及过电压的阈值。使用方便，具有热插拔功能，允许带电插入或拔下有源EMI 滤波器。满载时的效率高于99%，特别适合滤除DC/DC 电源变换器的电磁干扰。利用厂家提供的QPI－EVAL1软件，可以很方便地对安装好的QPI－8L及终端设备进行测试。
1.2 QPI－8L型有源EMI 滤波器的工作原理
QPI－8L 的内部框图如图1 所示。BUS＋、BUS－端分别接总线的正极、负极。SW端接受控于热插拔功能的满幅值负压。SHIELD为屏蔽端，与负载的屏蔽端、Y 电容的公共端接在一起。QPI＋、QPI－分别接负载的正、负输入端。PWRGD（Power good）为电源电压正常指示的输出端（集电极开路输出），当电源电压不正常时该端输出低电平。UVEN端、OV端各接1个电阻分压器，分别设定欠电压、过电压阈值。主要包括以下5部分。
（1）热插拔功能电路；
（2）EMI滤波器；
（3）供欠电压检测用的内部分压电阻（R1、R2）；
（4）供过电压检测用的内部分压电阻（R3、R4）；
（5）P沟道MOSFET。
当电源电压不正常时MOSFET 关断，可将负载断开，起到保护作用。
QPI－8L在0.01～30 MHz频率范围内对共模噪声的最大衰减量约为70 dB，对差模噪声的最大衰减量可达82 dB。这是无源EMI 滤波器难以达到的指标。QPI－8L型有源EMI滤波器与3 种无源EMI 滤波器产品对差模噪声的插入损耗曲线图如图2 所示。图2中，曲线a 代表QPI－8L，曲线b、c、d 分别代表3 种无源EMI 滤波器典型产品。显然，QPI－8L 能在很宽的频率范围内抑制差模噪声。
1.3 有源电磁干扰滤波器的典型应用
QPI－8L的典型接线图如图3 所示，将它插在总线电源与DC/DC电源转换器之间。DC/DC 电源转换器直接安装在印制板上并加屏蔽罩。C2～C6为旁路电容，容量可选0.047μF。
2 集成过电压保护器件
近年来，随着亚微米制造工艺的进步，许多新型集成电路的工作电压愈来愈低，芯片承受过电压的能力也随之下降，这就使得保护电路的作用更加重要。过电压保护简称OVP（Over Voltage Protection）。集成过电压保护器件的典型产品有美国安森美（Onsemi）半导体公司推出的新型过电压保护集成电路NCP345，MAXIM 公司生产的MAX4843 系列（ 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 种型号）。这类新器件的集成度高，体积小，能大大减少外部元器件的数量，降低过电压保护器的成本。可广泛用于手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理（PDA）、便携式CD机、汽车备用充电器及便携医疗设备中。下面以NCP345 为例，介绍集成过电压保护器件的原理与应用。
2.1 NCP345型集成过电压保护器的原理
NCP345 采用先进的Bi-CMOS 制造工艺，可承受30V的瞬态电压。它能在小于1μs的时间内迅速关断P 沟道MOSFET，确保负载不受损坏。其关断速度比低压CMOS 监测电路要快得多，后者在同样负载情况下只能承受12V的瞬态电压，而关断时间长达200μs。适合接在AC/DC电源适配器（或电池充电器）与负载之间，电池充电器可以是锂离子（Li-Ion）电池充电器、镍氢(NiMH）电池充电器。它具有过电压断电和欠电压锁定功能，能检测出过电压状况并迅速切断输入电源，避免因过电压或电源适配器出现故障而损坏电子设备。其额定过电压阈值的典型值为6.85V。
NCP345的内部框图如图4 所示。主要包括输入级电阻分压器（R1、R2），电压调节器，带隙基准电压源，欠电压锁定电路，具有滞后特性的控制逻辑，MOSFET 驱动器。只要发生以下3 种情况之一，OUT端就输出高电平将MOSFET关断。
（1）UCC下降到欠电压锁定阈值电压（2.8V）以下；
（2）IN端的输入电压高于过电压阈值（6.85V）；
（3）CNTRL端输入为高电平。
只要在IN 端与UCC端之间接上电阻分压器，即可调节过电压阈值UOV。
2.2 NCP345 型集成过电压保护器的典型应用
目前，许多便携式电子产品都配有AC/DC 电源适配器，将交流电压转换成直流电压，给内部电池进行充电。一旦电源适配器中产生自激振荡等故障而出现过电压现象，就会损坏敏感的电子元器件。此外，倘若用户在充电过程中突然拔掉电池，也会产生幅值较高的瞬态电压，可能使产品毁坏。针对上述问题，可利用NCP345和MOSFET（P通道）构成过电压保护器，电路图如图5 所示。P通道MOSFET起到开关作用，选内部带保护二极管的MGSF3441 型MOSFET作为开关器件。其主要参数如下：漏- 源电压UDS＝20 V，栅-源电压UGS＝8.0V，漏极电流ID＝1A，最大漏极电流IDM＝20 A，最大功耗PDM＝950 mW，通态电阻RDS（ON）＝78 mΩ。二极管D 采用低压降的MBRM120（1A/20 V）型肖特基二极管，当IF＝1 A、TA＝25℃时的导通压降仅为0.34V，它与MOSFET 串联成一体，能防止电池短路。利用NCP345 可监视输入电压，仅在安全条件下才能开启MOSFET。稳压二极管DZ1、DZ2分别并联在输入端和负载端，起到过电压二次保护作用。
3 集成过电流保护器件
USB 是通用串行总线（Universal Serial Bus）的英文缩写。它是针对PC机外设的一种新型接口技术，具有传输速率快（USB 2.0 的传输速
率为480Mbps）、即插即用、热插拔、低成本等特性。USB的电源和信号是通过四芯电缆来传输的。USB 2.0规范的电源指标如表2 所列。由于在USB 设备热插拔时会产生瞬间尖峰电流和浪涌电流，因此需要对USB接口、USB 集线器及计算机外设进行限流保护。
AAT4610A是美国先进模拟科技公司（AATI）于2005 年新推出的一种过电流保护电路，适配带USB 接口的各种计算机外设及便携式系统。其同类产品还有美国Vishay 公司生产的SiP4610A。AAT4610A 的内部电路主要包括欠电压闭锁电路、过热保护电路、比较放大器、P沟道MOSFET（带续流二极管）、1.2V基准电压源和限流保护电路。当欠压锁定阈值电压为1.8 V时，将P 沟道MOSFET关断；当电压恢复正常时自动使P 沟道MOSFET导通。
AAT4610A 的应用非常简单，只需串联在需要限流保护的电路中即可，电路图如图6 所示。需要控制的电流从IN端流入，从OUT端流出。C1、C2分别为输入端、输出端的滤波电容，宜采用陶瓷电容。RSET为极限电流设定电阻，其电阻值取决于所需极限电流ILIMIT，设定范围是130 mA～1A。在决定RSET的阻值时，必须考虑ILIMIT的变化。造成ILIMIT变化的原因有以下3种因素。
（1）从输入端到输出端的电压变化，这是由于P沟道功率MOSFET的压降而造成的；
（2）极限电流随温度而变化；
（3）极限电流还受输出电流的影响。
4 结语
本文主要介绍了3种新型保护器件的原理与应用，包括有源电磁干扰（EMI）滤波器、集成过电压保护器件、集成过电流保护器件。
开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收产品的技术指标时，还应对保护功能进行验证。
评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。
1 有源电磁干扰滤波器的原理与应用
有源电磁干扰滤波器简称有源EMI 滤波器，它是把有源器件集成在微封装的芯片中，专门用来抑制电磁干扰的滤波器。与传统的无源EMI滤波器相比，有源EMI 滤波器不仅具有优良的噪声衰减特性，而且功能强大，有的还能实现热插拔，可大大节省印制板（PCB）的空间，适用于电源及电子设备、医疗仪器等领域。
有源EMI 滤波器的典型产品有美国Vicor 公司生产的QPI（Quiet Power Input）系列，主要包括QPI－3L～QPI－6L，QPI－8L。QPI系列EMI 滤波器的产品分类见表1。其中，QPI－8L 属于带热插拔（Hot-swap）功能的有源EMI滤波器。
1.1 QPI－8L型有源EMI滤波器的性能特点
QPI－8L符合直流48V或60V总线的要求，能对150 kHz～30MHz 的传导噪声（共模噪声及差模噪声）进行衰减，在250 kHz 时的共模噪声衰减能力大于40dB，差模噪声衰减能力大于70 dB。它能在80V直流电压下连续工作，并能承受100V直流浪涌电压，其对地绝缘电压为1500V，最大工作电流为6A，最大负载为200W。与无源EMI滤波器相比，共模噪声衰减能力可提高20dB，差模噪声衰减能力可提高10～30dB。具有浪涌电流限制及断路、可编程欠电压/过电压保护、电源电压正常指示等功能。默认的欠电压阈值为34V（关断时的滞后电压为2V）；过电压阈值为76V（关断时的滞后电压为4V）；利用外部分压电阻还可改变欠电压及过电压的阈值。使用方便，具有热插拔功能，允许带电插入或拔下有源EMI 滤波器。满载时的效率高于99%，特别适合滤除DC/DC 电源变换器的电磁干扰。利用厂家提供的QPI－EVAL1软件，可以很方便地对安装好的QPI－8L及终端设备进行测试。
1.2 QPI－8L型有源EMI 滤波器的工作原理
QPI－8L 的内部框图如图1 所示。BUS＋、BUS－端分别接总线的正极、负极。SW端接受控于热插拔功能的满幅值负压。SHIELD为屏蔽端，与负载的屏蔽端、Y 电容的公共端接在一起。QPI＋、QPI－分别接负载的正、负输入端。PWRGD（Power good）为电源电压正常指示的输出端（集电极开路输出），当电源电压不正常时该端输出低电平。UVEN端、OV端各接1个电阻分压器，分别设定欠电压、过电压阈值。主要包括以下5部分。
（1）热插拔功能电路；
（2）EMI滤波器；
（3）供欠电压检测用的内部分压电阻（R1、R2）；
（4）供过电压检测用的内部分压电阻（R3、R4）；
（5）P沟道MOSFET。
当电源电压不正常时MOSFET 关断，可将负载断开，起到保护作用。
QPI－8L在0.01～30 MHz频率范围内对共模噪声的最大衰减量约为70 dB，对差模噪声的最大衰减量可达82 dB。这是无源EMI 滤波器难以达到的指标。QPI－8L型有源EMI滤波器与3 种无源EMI 滤波器产品对差模噪声的插入损耗曲线图如图2 所示。图2中，曲线a 代表QPI－8L，曲线b、c、d 分别代表3 种无源EMI 滤波器典型产品。显然，QPI－8L 能在很宽的频率范围内抑制差模噪声。
1.3 有源电磁干扰滤波器的典型应用
QPI－8L的典型接线图如图3 所示，将它插在总线电源与DC/DC电源转换器之间。DC/DC 电源转换器直接安装在印制板上并加屏蔽罩。C2～C6为旁路电容，容量可选0.047μF。
2 集成过电压保护器件
近年来，随着亚微米制造工艺的进步，许多新型集成电路的工作电压愈来愈低，芯片承受过电压的能力也随之下降，这就使得保护电路的作用更加重要。过电压保护简称OVP（Over Voltage Protection）。集成过电压保护器件的典型产品有美国安森美（Onsemi）半导体公司推出的新型过电压保护集成电路NCP345，MAXIM 公司生产的MAX4843 系列（ 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 种型号）。这类新器件的集成度高，体积小，能大大减少外部元器件的数量，降低过电压保护器的成本。可广泛用于手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理（PDA）、便携式CD机、汽车备用充电器及便携医疗设备中。下面以NCP345 为例，介绍集成过电压保护器件的原理与应用。
2.1 NCP345型集成过电压保护器的原理
NCP345 采用先进的Bi-CMOS 制造工艺，可承受30V的瞬态电压。它能在小于1μs的时间内迅速关断P 沟道MOSFET，确保负载不受损坏。其关断速度比低压CMOS 监测电路要快得多，后者在同样负载情况下只能承受12V的瞬态电压，而关断时间长达200μs。适合接在AC/DC电源适配器（或电池充电器）与负载之间，电池充电器可以是锂离子（Li-Ion）电池充电器、镍氢(NiMH）电池充电器。它具有过电压断电和欠电压锁定功能，能检测出过电压状况并迅速切断输入电源，避免因过电压或电源适配器出现故障而损坏电子设备。其额定过电压阈值的典型值为6.85V。
NCP345的内部框图如图4 所示。主要包括输入级电阻分压器（R1、R2），电压调节器，带隙基准电压源，欠电压锁定电路，具有滞后特性的控制逻辑，MOSFET 驱动器。只要发生以下3 种情况之一，OUT端就输出高电平将MOSFET关断。
（1）UCC下降到欠电压锁定阈值电压（2.8V）以下；
（2）IN端的输入电压高于过电压阈值（6.85V）；
（3）CNTRL端输入为高电平。
只要在IN 端与UCC端之间接上电阻分压器，即可调节过电压阈值UOV。
2.2 NCP345 型集成过电压保护器的典型应用
目前，许多便携式电子产品都配有AC/DC 电源适配器，将交流电压转换成直流电压，给内部电池进行充电。一旦电源适配器中产生自激振荡等故障而出现过电压现象，就会损坏敏感的电子元器件。此外，倘若用户在充电过程中突然拔掉电池，也会产生幅值较高的瞬态电压，可能使产品毁坏。针对上述问题，可利用NCP345和MOSFET（P通道）构成过电压保护器，电路图如图5 所示。P通道MOSFET起到开关作用，选内部带保护二极管的MGSF3441 型MOSFET作为开关器件。其主要参数如下：漏- 源电压UDS＝20 V，栅-源电压UGS＝8.0V，漏极电流ID＝1A，最大漏极电流IDM＝20 A，最大功耗PDM＝950 mW，通态电阻RDS（ON）＝78 mΩ。二极管D 采用低压降的MBRM120（1A/20 V）型肖特基二极管，当IF＝1 A、TA＝25℃时的导通压降仅为0.34V，它与MOSFET 串联成一体，能防止电池短路。利用NCP345 可监视输入电压，仅在安全条件下才能开启MOSFET。稳压二极管DZ1、DZ2分别并联在输入端和负载端，起到过电压二次保护作用。
3 集成过电流保护器件
USB 是通用串行总线（Universal Serial Bus）的英文缩写。它是针对PC机外设的一种新型接口技术，具有传输速率快（USB 2.0 的传输速
率为480Mbps）、即插即用、热插拔、低成本等特性。USB的电源和信号是通过四芯电缆来传输的。USB 2.0规范的电源指标如表2 所列。由于在USB 设备热插拔时会产生瞬间尖峰电流和浪涌电流，因此需要对USB接口、USB 集线器及计算机外设进行限流保护。
AAT4610A是美国先进模拟科技公司（AATI）于2005 年新推出的一种过电流保护电路，适配带USB 接口的各种计算机外设及便携式系统。其同类产品还有美国Vishay 公司生产的SiP4610A。AAT4610A 的内部电路主要包括欠电压闭锁电路、过热保护电路、比较放大器、P沟道MOSFET（带续流二极管）、1.2V基准电压源和限流保护电路。当欠压锁定阈值电压为1.8 V时，将P 沟道MOSFET关断；当电压恢复正常时自动使P 沟道MOSFET导通。
AAT4610A 的应用非常简单，只需串联在需要限流保护的电路中即可，电路图如图6 所示。需要控制的电流从IN端流入，从OUT端流出。C1、C2分别为输入端、输出端的滤波电容，宜采用陶瓷电容。RSET为极限电流设定电阻，其电阻值取决于所需极限电流ILIMIT，设定范围是130 mA～1A。在决定RSET的阻值时，必须考虑ILIMIT的变化。造成ILIMIT变化的原因有以下3种因素。
（1）从输入端到输出端的电压变化，这是由于P沟道功率MOSFET的压降而造成的；
（2）极限电流随温度而变化；
（3）极限电流还受输出电流的影响。
4 结语
本文主要介绍了3种新型保护器件的原理与应用，包括有源电磁干扰（EMI）滤波器、集成过电压保护器件、集成过电流保护器件。
开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收产品的技术指标时，还应对保护功能进行验证。
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