开关电源的保护电路设计_图文

1、*收稿日期 2007-04-14作者简介 张海燕 (1978- , 女 , 陕西咸阳人 , 重庆职业技术学院助教 , 重庆大学光电学院在读硕士研究生 . 2007年 10月 重庆文理学院学报 (自然科学版 O ct . , 2007第 26卷 第 5期Jou rnal of Chongqing Un i versit y ofA rts and S ci en ces (N at u ral Sci ence Ed iti on Vol . 26 No . 5开关电源的保护电路设计张海燕(重庆职业技术学院 , 重庆 400712摘 要 基于开关电源的特点 , 阐述了开关电源保护系统设计的基本原

2、则和整机保护的措 施 , 介绍了多种实用的开关电源保护电路 .关键词 开关电源 ; 设计原则 ; 保护电路中图分类号 T M 56文献标识码 A 文章编号 1673-8012(2007 05-0033-04 开关电 源 (也 称非 线性 稳压电 源 与线 性稳 压电 源 相比 , 省去了笨 重的 工频 变压 器 , 调整 管 工作 在开 关 状 态 . 这使其具有功耗小 、 效率 高 、 体积小 、 重量 轻 、 稳压 范 围宽等许多优点 . 随着科学技术的发展 , 电力电子设备与 人们的工作 、 生活的关系日益密切 , 而电子设备都离不开 可靠 的电源 , 因此直 流开关电源 开始发挥越 来

3、越重要 的 作用 , 并相继进入电子 、 电器设 备等领域 , 程控交换机 、 电 子检 测设备电 源 、 控 制设备电源 等都已广泛 使用直流 开 关电 源 . 直 流开关稳 压器中所使 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 关稳压 器的 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 . 开关电源中控制电路比较复杂 , 晶体管和集成器件 耐受电 、 热冲击的能力较差 , 在 使用过程中给用户带来很 大不 便 , 因 而开关稳 压器的保护 应该兼顾稳 压器本身 和 负载的安全 . 为了保护开关电源自身和负载的安全 , 笔者 根据开关

4、电源的电路 特点 , 介绍了浪涌电流保护 、 过压保 护 、 过流保护 、 欠压保 护 、 反 峰电压 保护以 及过热 保护 电 路 . 在实际的开关电源设计中 , 通常选用几种保护方式加 以组合 , 构成完善的开关电源保护系统 . 1 开关电源保护电路的设计原则1. 1 把开 关稳压器中 应用的开 关三极管限 制在直流 安 全工作区域内工作对于选定的开关 三极管 , 由三 极管手 册可查 得其 直 流安 全工作区 , 根据 集电极电流 的最大值来 确定输入 过 电流的保护值 . 但是 , 这个瞬时 最大值应转换为电流的平 均值 . 在额定输出电流与输出电压的条件下 , 开关管的动 态负 载线

5、不超 过直流安全 工作区的最 大输入电 压 , 即 输 入过电压保护的电压 值 .1. 2 把开关稳压器的输出限制在给定的技术指标内在所要求的工作 温度范 围内 , 开关稳 压器的 输出 电压的上 、 下限就是输 出过 、 欠电压 保护的电 压值 . 过电 流 保护可根据最大输出电流来确定 . 为了不产生误 报警 , 保 护值应适当留一定的余量 . 2 整机保护措施由上述保护电路设计原 则确定 保护方 式后 , 再根 据 电源装置的 需要来确定 报警措施 . 一般 报警措施有 声警 和光警两种 . 声警适用于整机比较复杂 、 电源部分装在不 显眼的地方 , 可以给工作人员以有效的故障报警 ;

6、光警可 以醒目地指 示故障报 警并指出故 障发生的部 位和类型 . 保护措施要视所保护的部位而确定 . 在大功率 、 多路电源 的场合 , 总是用交 、 直流断 路器 , 高灵敏 继电器 等构成 自 动保护装置 , 切 断电 源的 输入 使 系统 停止 工作 , 免受 损 害 . 通过 逻辑控制 电路使相应 的开关三 极管截止的 方案 既灵敏 、 方便又经济 . 这样可以省去体积大 、 响应时间长 、 价格贵的大功率继电器或断路器 .电源中加设了保护电路 后会影 响系统 的可 靠性 , 为 此要求保护 电路本身的 可靠性要 高 , 以 提高整个电 源系 统的 可靠性 , 进而提高电源本身的 M

7、 TBF (M ean T i m e Be -t ween F ail ure , 平均无故障时间 . 这就要求保护的逻 辑严 密 , 电路简单 , 元器件最少 , 此外 还要考 虑到保 护电路 本 身出故障时维修难度和其保护的电源的损坏程度 . 3 开关电源各种保护电路 3. 1 抑制浪涌电流电路开关电源的输 入电 路大 都采 用 电容 滤波 型 整流 电 路 , 在进线电源 合闸 瞬间 , 由于 电容 器上 的初 始 电压 为 零 , 充电瞬间会形成很大的浪涌电流 , 特别是大功率开关 电源采用容量较大 的滤波 电容 器 , 浪涌 电流 可达 100A 以上 . 在电源接通瞬间如此大的浪

8、涌电流 , 重者往往会导 致输入熔断 器烧断或合 闸开关的 触点烧坏 , 整流桥 过流 损坏 ; 轻者会使空气开关合不上闸 . 上述现象均会造成开关电源无法正常工作 . 因此 , 几 乎所有开关电源都设置了 防止 浪涌电流 的软启动电 路 , 以 保证电源正 常而可靠 地 运行 . 抑制浪涌电流的方法有以下几种 :3. 1. 1 热敏电阻保护法 抑制浪涌电流最 简单且有效的方法就是在开关电源 整流滤波电路的主电 路中串联一负温度系数的热敏电阻 R TH , 它的冷态电阻大 , 热态电 阻小 . 当电路 刚接通 时 , 该 热敏电阻的阻值很大 , 从而限制了电路启动电流 , 以避免 开机时产 生

9、 大 的浪 涌 电 流 ; 几 秒 钟 后 , 电 源 正 常工 作 , R TH 的温度上升 , 电 阻趋 于零 , 失去 了限 流 作用 . 热 敏 电 阻 R T H 抑制浪涌电流的 时间很短 , 所以它平时耗电很少 . 3. 1. 2 晶闸管保护法 晶闸 管保 护法的 电路 如图 1所示 . 晶 闸管 VS 与 电 阻并联 . 对于晶闸管 , 阳极与 阴极之 间加正 偏电压 , 门 极 与阴 极之间加 正偏电压 :以上两 条件同时满 足时晶闸 管 才导通 . 一旦晶闸管导 通 , 门 极就对 其失去 控制 . 在开 机 瞬间 , 晶闸管门极上还未加控制脉冲 , 是截止的 , 电阻 R1

10、串联在电路中起到抑 制浪涌电流的作用 ; 当电源启动后 , 开关 管导通 , 高频变 压器的晶闸 管触发绕组 上产生的 交 流脉 冲通过二 极管加在晶 闸管的门极 上 , 使 其导通并 短 路电阻 R1, 电路进入 正常状态 . 在图 1中 , 晶 闸管 V S 也 可以为双向晶闸管 , 此时二极管 D 7就省掉了. 图 1 晶闸管保护法3. 1. 3 继电器保护法 图 2是采用继电器 K 和限流电阻 R1构 成的防浪 涌 电流电路 . 电源接通瞬 间 , 输 入电压 经整流 (D 1D 4 和 限流电阻 R1对 滤波电容器 C1充电 , 防止接通瞬间的 浪 涌 电流 , 同时辅助电源 V c

11、c 经电阻 R 2对并接于继电器 K 线包的电容器 C2充电 ; 当 C2上的电压达到继电 器 K 的 动作电压时 , K 动作 , 其触点 K1. 1闭合 而旁路 限流电 阻 R1失去作用 , 电 源进入正常 运行 状态 . 限 流的延 迟时 间 取决于时间常数 (R2C2, 通 常选 取为 0. 30. 5s . 为 提 高延 迟时间的 准确性以及 防止继电器 动作抖动 振荡 , 延 迟电路可采用图 3所示的电路替代 R2C2延迟电路 . 3. 2 过流保护电路当出现负载短路 、 过载 或控制 电路失 效等意 外情 况 时 , 流过稳压器中开关三极管的电流过大 , 使管子功耗增 大 、 发

12、热 . 若没有过流 保护装 置 , 大 功率开 关三极 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 , 但需要根据具体 开关三极管 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.图 2继电保护法图 3 延迟电路在直流开关电源电路中 , 要保护调整管在电 路短路 、 电流增大时不被烧毁 , 基本方法是 :当输出电流超过某一 值时 , 调整管处于反向偏

13、置状态从而截止 , 自动切断电路 电流 . 过电流保护电路由三极管 BG 2和分 压电阻 R4、 R5组成 , 如图 4所示 . 电路正常工作时 , 通过 R4与 R 5的分压作用 , 使得 BG 2的基极 电位比 发射极 电位高 , 发射 结 承受反向电压 , 于是 BG 2处于 截止状 态 (相 当于开 路 , 对稳压电路 没 有 影响 . 当 电路 短 路 时 , 输 出 电 压 为零 , BG 2的发射极相 当于 接地 , BG 2处 于饱 和导 通状 态 (相 当于短路 , 从而使 调整管 BG 1基 极和发 射极 近于短 路 而处于截止状态 , 切 断电路电 流 , 从而达到 保护

14、 的目的 . 但这种方法 会影响电源 的效率 , 因此多 用于小功率 开关 稳压器的场合 . 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.图 4 过电流保护电路3. 3 过电压保护电路开关稳压器的过 电压保护包括输入过电压保护和输 出过电压保护 . 3. 3. 1 输入过电压保护 电路开关稳压器所使 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 , 开关稳压器就不能正常工作 , 甚 至损坏内部器件 , 因此有必要使用输入过电压保护电路 . 用晶体管和继电器 组成的 保护电

15、路如图 5所示 . 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 , 稳压管被击穿 , 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. 图 5 输入过电压保护电路3. 3. 2 输出过电压保护 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 , 瞬时造成很大损失 . 常用

16、的方法 是晶闸管短路保护 . 最简 单的过 电压保 护电路 如图 6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 , 保护负载 . 这种电路 的响应时间相当于晶闸管 的开通时间 , 约为 510s . 它的缺点是动作电压 是固定 的 , 温度系数大 , 动作点不稳定 . 另外 , 稳 压管存在着参数 的离散性 , 型号相同但过电压起动值却各不相同 , 给调试 带来了困难. 图 6 输出过电压保护电路图 7是改进 后的电 路 . 图 7中 , TL431是 精密可调 基 准电源 , 改电路 利用

17、 了 TL431内 部的临 界电 压 V re. f R1、 R2对输出电压串连分压 , 得出取样 电压加在 TL431的参 考端 . 当输出电压超过一定电压时 , TL431触发 , 使 双向晶 闸管 V S 导通 , 产生瞬间大电流将保险丝熔断从而 保护后级电路或负载 . 其中 , 保护点电压 V =(1+R 1/R2 V re.f图 7 输出过电压保护改进 电路3. 4 欠电压保护电路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 或输出负载 发生了异 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

18、, 既危及开关三极管 , 也危及输入电源 . 因此 , 要设置欠电压保护 . 简单的欠电 压保护电路 如图 8所示 . 当未 稳压 输 入的 电 压值 正 常 时 , 稳 压管 ZD 被 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.图 8 欠电压保护电路开关稳压器内部由于控制电路失常或开关三极管失 效 , 会使输出电压下降 ; 负载发生短路也会使输出电压下 降 . 特别是在升压型或反相升压型的直流开关稳 压器中 , 欠电压的保

19、 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 , 其 电路原理图如图 9所示.图 9 输出欠电压保护电 路3. 5 反峰电压保护电路开关电源的高频变压器 的初级 绕组并 联由 电阻 、 电容和 二极管组 成的反峰电 压保护电路 , 其作 用是消除 开 关管 从饱和导 通状态突然 转换为截止 状态时 , 开关变 压 器初 级绕组电 感下端产生 的瞬间反向 高压 , 以免叠加 在 原直流电压上将开 关管击 穿 . 其电路如 图 10所示 . 由 电 阻 R1、 电容 C3、 C4和二极 管 D 组成 的 反峰 电压 保护 电 路 , 当开

20、关管 V 由导通 突变 为截 止时 , 高 频变 压器 T 的 初级绕组中的持续电 流将向电容 C3、 C4快速充电 , 并 被 电阻 R1吸收 , 从而减 小开关 管 V 集 电极 上出现 的反 峰 电压 , 防止开关管 V 被击穿 .图 10 反峰电压保护电路3. 6 过热保护电路开关稳压器的高 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 来检测 电源装 置内部的

21、 温度 , 当 电 源装置内部过热时 , 温度继电器就动作 , 使整机报警电路 处于报警状态 , 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 断电器 , 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 , 可以用作温度指示电路 . 如 图 11所示的电路中 , 根 据 p 型控制栅热晶闸 管 (TT102, 如 图 11中 虚线 框内 所示 的特 性 , 由 热敏 电阻 RT 值确

22、定该 器件 的导 通温 度 . RT 越大 , 导通温度就越低 . 当将其 放置在功率开关三极管附 近 , 或电源装置内时 , 它就能起 到温度指示作用 .当功率管的 管壳温度 或装置内部 的温度超过 允许值时 , 热晶闸管就导通 , 使发光二极管发光报警 . 倘若配合光电 耦合器 , 就可使整机报警电路动作 , 保护开关稳压器 .图 11 过热保护电路4 结语对一个给定的直流开关 电源来 说 , 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 . 因为开关 电源的保护 方案和电 路结构具有 多样 性 , 所以对具体电源装置而言 , 应选择合理的保护方案和 电路结构 . 如果开关电源中用的是集成控制电路 , 则可以 根据该控制 器件的特点 , 利用 其某些引 脚来设置保 护电 路 , 例如 TL494脉宽 控制 器件 , 可 用 其死 区控 制 来设 置 过压 、 过流保护电路 .在实际应用中 , 通常 选用几 种保护