討論了直流開關穩(wěn)壓電源的保護系統(tǒng),提出保護系統(tǒng)設計的原則和整機保護的措施缓苛，分析了開關穩(wěn)壓電源中的各種保護的特點及其設計方法,介紹了幾種實用保護電路芳撒。
　　1引言
　　直流開關穩(wěn)壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控制電路亦比較復雜,另外,開關穩(wěn)壓器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未桥、熱沖擊的能力較差笔刹。因而開關穩(wěn)壓器的保護應該兼顧穩(wěn)壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多,這里介紹極性保護钢属、程序保護徘熔、過電流保護、過電壓保護淆党、欠電壓保護以及過熱保護等電路酷师。通常選用幾種保護方式加以組合,構成完善的保護系統(tǒng)。
　　2極性保護
　　直流開關穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源染乌。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩(wěn)壓電源山孔。極性保護的目的,就是使開關穩(wěn)壓器僅當以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現(xiàn)電源的極性保護荷憋。最簡單的極性保護電路如圖1所示台颠。由于二極管D要流過開關穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩(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,功耗也將減小搬雳。為了操作方便,便于識別極性正確與否,在圖1中的二極管之后,接指示燈为或。
　　

　　3程序保護
　　開關穩(wěn)壓電源的電路比較復雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關部分。開關晶體管則屬大功率晃键，為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,必須先讓調制器特棕、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序迟赶。開關穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感创哩、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)倍堵但。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷波笆。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,開機時應該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電铁厌。為了不使該限流電阻消耗過多的功率褂苔，以致影響開關穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機暫態(tài)過程結束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩(wěn)壓器供電哄避，如圖2所示茉漂。這種電路稱之謂開關穩(wěn)壓器的“軟啟動”電路。
　　

　　開關穩(wěn)壓器的控制電路中的邏輯組件或者運算放大器需用輔助電源供電誉简。為此,輔助電源必須先于開關電路工作碉就。這可用開機程序控制電路來保證盟广。一般的開機程序是:輸入電源的極性鑒別,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對開關穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→開關穩(wěn)壓器的調制電路工作，短路限流電阻→開關穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作瓮钥。
　　在開關穩(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筋量。在這段時間內,取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調節(jié)特性將迫使開關三極管的導通時間加長,這樣一來,開關三極管就會在這段期間內趨于連續(xù)導通,而容易損壞。為此,要求在開機這一段時間內,開關調制電路輸出給開關三極管基極的脈寬調制驅動信號碉熄，能保證開關三極管由截止逐漸趨于正常的開關狀態(tài)桨武，故而要加設開機保護以配合軟啟動。
　　4過電流保護
　　當出現(xiàn)負載短路锈津、過載或者控制電路失效等意外情況時,會引起流過穩(wěn)壓器中開關三極管的電流過大呀酸，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩(wěn)壓器中過電流保護是常用的琼梆。最經濟簡便的方法是用保險絲性誉。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)點茎杂，但是,需要根據(jù)具體開關三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格曾搪。這種過流保護措施的缺點是帶來經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穩(wěn)壓器中均能應用扯连。但是,根據(jù)開關穩(wěn)壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉換為脈沖指令,去控制調制器以保護開關三極管权饥。為了實現(xiàn)過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關穩(wěn)壓器的場合。而在大功率的開關穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗梨浑，應盡量避免取樣電阻的接入面族。因此,通常將過電流保護轉換為過、欠電壓保護迂儡。
　　5過電壓保護
　　開關穩(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伟杂。開關穩(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,使開關穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器所組成的保護電路如圖3所示饮噪。
　　

　　在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時距肯，穩(wěn)壓管擊穿膏姨，有電流流過電阻R，使晶體管V導通棺衬，繼電器動作橙喘，常閉接點斷開，切斷輸入胶逢。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz=ESrmax－UBE厅瞎。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一起,構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穩(wěn)壓電源中是至關重要的初坠。特別對輸出為5V的開關穩(wěn)壓器來說,它的負載是大量的高集成度的邏輯器件和簸。如果在工作時,開關穩(wěn)壓器的開關三極管突然損壞,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彭雾。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所示锁保。
　　當輸出電壓過高時,穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導通,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,保護了負載薯酝。這種電路的響應時間相當于晶閘管的開通時間，約為5～10μs爽柒。它的缺點是動作電壓是固定的吴菠，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定浩村。另外做葵，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同心墅，給調試帶來了困難翠墩。圖5是改進后的電路。其中R1毯创、R2是取樣電路毫例，Vz是基準電壓。
　

　　　輸出電壓Esc突然升高苫七，晶體管V1惹捡、V2導通，晶閘管就導通尼送∧懈埃基準電壓Vz由式 來確定，UBE1為V1的發(fā)射結（BE）電壓降鸭荡。本電路的動作電壓可變垄减，并且動作點相當穩(wěn)定。當穩(wěn)壓管為7V時稻猜，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消牙枕，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對于輸出為5～5.5V的直流開關穩(wěn)壓器來說坦康，其常用的動作電壓是5.5～6V竣付。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是－20～－30mV/℃滞欠。因此,溫度變化大的場合保護電路還會發(fā)生誤動作古胆。采用集成電路電壓比較器來檢測開關穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法筛璧，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應的邏輯電路配合逸绎，構成過電壓保護電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定夭谤。
　　6欠電壓保護
　　輸出電壓低于規(guī)定值時棺牧，反映了輸入直流電源巫糙、開關穩(wěn)壓器內部或者輸出負載發(fā)生了異常。輸入直流電源電壓下降到規(guī)定值之下時陨帆，會導致開關穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落曲秉，輸入電流增大，既危及開關三極管疲牵，也危及輸入電源承二。因此，要設欠電壓保護岭复。簡單的欠電壓保護如圖6所示漠盔。
　　當未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時，穩(wěn)壓管ZD擊穿河美，晶體管V導通奸涤，繼電器動作，觸點吸合殊划，開關穩(wěn)壓器加電祷燥。當輸入低于所允許的最低電壓值時，穩(wěn)壓管ZD不通登徐，V截止翁乌，觸點跳開，開關穩(wěn)壓器不能工作哟笨。
　　開關穩(wěn)壓器內部蒙搅，由于控制電路失常或者開關三極管失效會使輸出電壓下降母逸；負載發(fā)生短路也會使輸出電壓下降潘尿。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關穩(wěn)壓器中欠電壓的保護是跟過電流保護緊密相關的，因而更加重要徒溪。實現(xiàn)方法是在開關穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器忿偷，如圖7所示。
　

　　 正常時臊泌，比較器沒有輸出牵舱，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉，驅動告警電路;同時反饋到開關穩(wěn)壓器的控制電路缺虐，使開關三極管截止或切斷輸入電源。
　　7過熱保護
　　開關穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積礁凡，使其單位體積內的功率密度大大提高高氮，電源裝置內部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求也相應提高。否則顷牌，會使電路性能變壞剪芍，元器件過早失效塞淹。因此在大功率開關穩(wěn)壓器中應該設過熱保護。
　　　采用溫度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度罪裹，當電源裝置內部產生過熱時饱普，溫度繼電器就動作，使整機告警電路處于告警狀態(tài)茶踪，實現(xiàn)對電源的過熱保護杉源。亦可將溫度繼電器置于開關三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃教叽，調節(jié)溫度整定值為60℃墙哲。當管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電器，對開關管進行保護嘶忘。
　　半導體熱敏開關器件“熱晶閘管”在超溫保護方面有重要作用氏石。它可以用作溫度指示電路。根據(jù)p型控制柵熱晶閘管(TT102)的特性躁银，由RT〔見圖8(a)〕值確定該器件的導通溫度愿航，RT越大，導通溫度越低蔑辽。當將其放置功率開關三極管附近身音，或在電源裝置內時，它就能起到溫度指示作用松招。當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過允許值時呵扛，熱晶閘管就導通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警筐带。
　　倘若配合光電耦合器今穿，就可使整機告警電路動作，保護開關穩(wěn)壓器伦籍。它亦可以象圖8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護蓝晒，晶體開關管的基極電流被n控制柵型熱晶閘管TT201旁路，開關管截止帖鸦，切斷集電極電流,防止過熱芝薇。
　　

　　8結語
　　以上分別討論了在開關穩(wěn)壓器中的各種保護方式,并介紹了一些具體實現(xiàn)的方法。對一個給定的開關穩(wěn)壓電源來說作儿，還應從整機保護方面考慮以下幾點：
　　1)把開關穩(wěn)壓器中所應用的開關三極管限制在直流安全工作區(qū)域之內工作洛二。對于選定的開關三極管,由晶體管手冊可查得其直流安全工作區(qū)。根據(jù)集電極電流的最大值來確定輸入過電流的保護值攻锰。但是,這個瞬時最大值應轉換為電流的平均值晾嘶。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關管的動態(tài)負載線不超過直流安全工作區(qū)的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護的電壓值。
　　2)把開關穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術指標之內娶吞。在所要求的工作溫度范圍內,開關穩(wěn)壓器的輸出電壓的上垒迂、下限就是輸出過屁坛、欠電壓保護的電壓值。過電流保護則可根據(jù)最大輸出電流來確定笨拯。為了不誤告警,保護值應適當留一定的余量宽缎。
　　3)由以上兩點確定保護方式之后,再根據(jù)電源裝置的需要來確定告警措施。一般告警措施有聲警和光警兩種讶粹。聲警適用于整機比較復雜着雪、電源部分又裝在不顯眼的地方,它可以給工作人員以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障發(fā)生的部位和類型。保護措施要視所保護的部位來確定辐轧。在大功率,多路電源的場合,總是用交摧篱、直流斷路器,高靈敏繼電器等構成自動保護措施,切斷電源的輸入使系統(tǒng)停止工作,免受損害。通過邏輯控制電路使相應的開關三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經濟鬼涂。這樣可以省去體積大,響應時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器松苹。
　　4)電源中加設了保護電路之后會影響系統(tǒng)的可靠性，為此要求保護電路本身的可靠性要高羔仅，以提高整個電源系統(tǒng)的可靠性丘多，進而提高電源本身的MTBF。這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單沉桌、元器件最少谢鹊，除此而外還要考慮到保護電路本身出故障時維修難度和其所保護的電源損壞程度。
　　 所以必須全面系統(tǒng)地考慮開關電源各種保護措施留凭，確保開關電源的正常工作和高效率與高可靠性佃扼。

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