高频开关直流电源的保护技术

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1 引言

高频开关直流电源模块中所使用的大功率开关器件价格较贵，其控制电路亦比较复杂，另外，开关电源的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关电源模块的保护应该兼顾其本身和负载的安全。保护电路的种类很多，这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合，构成完善的保护系统。

2 极性保护

直流电源模块开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源，由于操作失误或者意外情况会将其极性接错，此时将会损坏开关稳压电源。极性保护的目的就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D流过开关稳压器的输入总电流，因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合，则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节，可以省去极性保护所需的大功率二极管，功耗也将减小。为了操作方便，便于识别极性开关正确与否，在图1中的二极管之后接指示灯。

图1 简单的极性保护

3 程序保护

直流电源模块稳压电源的电路比较复杂，基本上可以分为小功率控制部分和大功率开关部分。开关管则属大功率器件，为保护开关管在开启或关断电源时的安全，必须先让调制器、放大器等小功率控制电路工作。所以，必须保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端，一般接有小电感、大电容的输入滤波器，在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电流，这个浪涌电流可高出正常输入电流的数倍，这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化，并使输入保险丝熔断，甚至会损害电容器。为此，开机时应该接入一个限流电阻，通过这个限流电阻对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接，使直流电源直接对开关稳压器供电，如图2所示。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。

图2 软启动电路

开关稳压器控制电路中的逻辑组件或运算放大器需用辅助电源供电，为此，辅助电源必须先于开关电路工作，这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是：输入电源的极性保护，电压保护→开机程序电路工作→辅助电源工作并通过限流电阻R对开关稳压器的输入电容器C充电→ 开关稳压器的调制电路工作，短接限流电阻→开关稳压器稳定工作。

在开关稳压器中，刚开机时因为其输出电容容量大，充到额定输出电压值需要一定时间。在这段时间内，取样放大器输入低的输出电压采样，根据系统闭环调节特性将迫使开关三极管的导通时间加长，这样一来，开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通而容易损坏。为此，要求在开机这一段时间内，开关调制电路输出给开关管基极的脉宽调制驱动信号，能保证开关管由截止逐渐趋于正常的开关状态，故而要加设开机保护以配合软启动。

4 过电流保护

当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过稳压器开关管的电流过大，使其功耗增大而发热，若没有过流保护装置，大功率开关管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的，最经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能起到保护作用，常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但是需要根据具体开关管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。

在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是，根据开关稳压器的特点，这种保护电路的输出不能直接控制开关管，而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令，去控制调制器以保护开关管。在大功率的开关稳压电源中，考虑到功耗应尽量避免取样电阻的接入。因此，通常将过电流保护转换为过、欠电压保护。

5 过电压保护

开关稳压器的过电压保护，包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源，诸如蓄电池和整流器的电压如果过高，会使开关稳压器不能正常工作，甚至损坏内部器件。因此有必要使用输入过电压保护电路，如图3所示。

图3 输入过电压保护电路

在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管V导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。其中稳压管的稳压值VZ=ESrmax-UBE。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起构成极性保护鉴别与过电压保护电路。

输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5V的开关稳压器来说，它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时开关稳压器的开关三极管突然损坏，输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值，瞬时造成很大的损失。常用的方法是晶闸管短路保护。最简单的过电压保护电路如图4所示。当输出电压过高时，稳压管被击穿，触发晶闸管导通，把输出端短路，造成过电流，通过保险丝或电路保护器将输入切断，保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为(5～10)μs。它的缺点是动作电压固定，温度系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在参数的离散性，型号相同但过电压起始值却各不相同，给调试带来了困难。图5是改进后的电路。其中R1、R2是取样电路，Vz是基准电压。[p]

图4 简单的输出过电压保护

图5 输出过电压保护

输出电压Esc突然升高，晶体管V1、V2导通，晶闸管就导通。本电路的动作电压可变，并且动作点相当稳定。当稳压管为7V时，其温度系数和晶体管V1的发射结(BE)电压的温度系数可以抵消，能使温度系数降得很低。但是对于输出为(5～5.5)V的直流开关稳压器来说，其常用的动作电压是(5.5～6)V。那么稳压管电压必在3.5V以下，此电压附近的稳压管温度变化系数是(-20～-30)mV/℃。因此，温度变化大的场合保护电路还会发生误动作。采用集成电路电压比较器来检测开关稳压器的输出电压，是目前较为常用的方法。利用比较器输出状态的改变跟相应的逻辑电路配合，构成过电压保护电路，这种电路既灵敏又稳定。

6 欠电压保护

输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设欠电压保护。简单的欠电压保护如图6所示。

当未稳压输入的电压值正常时，稳压管ZD击穿，晶体管V导通，继电器动作，触点吸合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管ZD不通，V截止，触点跳开，开关稳压器不能工作。开关稳压器内部由于控制电路失常或者开关三极管失效，会使输出电压下降，负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中，欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的，因而更加重要。实现方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器，如图7所示。

图6 输入欠电压保护

图7 欠压保护方框图

正常时，比较器没有输出，一旦电压跌落在允许值之下比较器就翻转，驱动告警电路。同时，反馈到开关稳压器的控制电路，使开关三极管截止或切断输入电源。

7 过热保护

开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此，在大功率开关稳压器中应该设过热保护。

采用温度继电器检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置于开关三极管的附近，一般大功率管允许的最高管壳温度是75℃，调节温度整定值为60℃。当管壳温度超过允许值后继电器就切断电路，对开关管进行保护。半导体热敏开关器件“热晶闸管”，在超温保护方面有重要作用，它可以用作温度指示电路。根据p型控制栅热晶闸管的特性，由Rt〔见图8(a)〕值确定该器件的导通温度，Rt越大，导通温度越低。当将其放置在功率开关三极管附近或在电源装置内时，它能起到温度指示作用。当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管导通，使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关稳压器。它亦可以像图8(b)那样用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被N型控制栅热晶闸管TT201旁路，开关管截止，切断集电极电流，防止过热。