大功率可調(diào)直流電源的保護(hù)電路技術(shù)
大功率可調(diào)直流電源中所使用的大功率開關(guān)器件價格較貴,其控制電路亦比較復(fù)雜,另外,大功率可調(diào)直流電源的負(fù)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、熱沖擊的能力較差。因而大功率可調(diào)直流電源的保護(hù)應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓器本身和負(fù)載的安全。保護(hù)電路的種類很多,這里介紹極性保護(hù)、程序保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過熱保護(hù)等電路。通常選用幾種保護(hù)方式加以組合,構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)。
一、極性保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護(hù)的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)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?qū)ǖ钠骷梢詫崿F(xiàn)電源的極性保護(hù)。由于二極管D要流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個環(huán)節(jié),可以省去極性保護(hù)所需的大功率二極管,功耗也將減小。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。
二、程序保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率，為保護(hù)開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時的安全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機(jī)程序。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)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。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關(guān)的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。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(jī)時應(yīng)該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關(guān)穩(wěn)壓器供電，如圖2所示。這種電路稱之謂開關(guān)穩(wěn)壓器的“軟啟動”電路。
大功率可調(diào)直流電源的控制電路中的邏輯組件或者運(yùn)算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先于開關(guān)電路工作。這可用開機(jī)程序控制電路來保證。一般的開機(jī)程序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護(hù)→開機(jī)程序電路工作→輔助電源工作并通過限流電阻R對開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→開關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作，短路限流電阻→開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作。
大功率可調(diào)直流電源中,剛開機(jī)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。在這段時間內(nèi),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(diào)節(jié)特性將迫使開關(guān)三極管的導(dǎo)通時間加長,這樣一來,開關(guān)三極管就會在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞。為此,要求在開機(jī)這一段時間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電路輸出給開關(guān)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，能保證開關(guān)三極管由截止逐漸趨于正常的開關(guān)狀態(tài)，故而要加設(shè)開機(jī)保護(hù)以配合軟啟動。
三、過電流保護(hù)
當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、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(guān)三極管的電流過大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護(hù)裝置,大功率開關(guān)三極管就有可能損壞。故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護(hù)是常用的。最經(jīng)濟(jì)簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護(hù)作用,常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點，但是,需要根據(jù)具體開關(guān)三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格。這種過流保護(hù)措施的缺點是帶來經(jīng)常更換保險絲的不便。
在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點,這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開關(guān)三極管,而必須使過電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護(hù)開關(guān)三極管。為了實現(xiàn)過電流保護(hù)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(guān)穩(wěn)壓器的場合。而在大功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗，應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護(hù)。
四、過電壓保護(hù)
開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路。用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路如圖3所示。
在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R，使晶體管V導(dǎo)通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過電壓保護(hù)電路。
輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對輸出為5V的開關(guān)穩(wěn)壓器來說,它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時,開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)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。常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。最簡單的過電壓保護(hù)電路如圖4所示。
當(dāng)輸出電壓過高時,穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險絲或電路保護(hù)器將輸入切斷,保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時間相當(dāng)于晶閘管的開通時間，約為5～10μs。它的缺點是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定。另外，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，給調(diào)試帶來了困難。圖5是改進(jìn)后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準(zhǔn)電壓。
輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通�；鶞�(zhǔn)電壓Vz由式來確定，UBE1為V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，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(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動作電壓是5.5～6V。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/℃。因此,溫度變化大的場合保護(hù)電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。
五、欠電壓保護(hù)
輸出電壓低于規(guī)定值時，反映了輸入直流電源、開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或者輸出負(fù)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，會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關(guān)三極管，也危及輸入電源。因此，要設(shè)欠電壓保護(hù)。簡單的欠電壓保護(hù)如圖6所示。
當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動作，觸點吸合，開關(guān)穩(wěn)壓器加電。當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時，穩(wěn)壓管ZD不通，V截止，觸點跳開，開關(guān)穩(wěn)壓器不能工作。
大功率可調(diào)直流電源內(nèi)部，由于控制電路失�；蛘唛_關(guān)三極管失效會使輸出電壓下降；負(fù)載發(fā)生短路也會使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn)壓器中欠電壓的保護(hù)是跟過電流保護(hù)緊密相關(guān)的，因而更加重要。實現(xiàn)方法是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器，如圖7所示。
正常時，比較器沒有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動告警電路;同時反饋到開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，使開關(guān)三極管截止或切斷輸入電源。
六、過熱保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，電源裝置內(nèi)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。否則，會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率開關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)。
采用溫度繼電器來檢測電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實現(xiàn)對電源的過熱保護(hù)。亦可將溫度繼電器置于開關(guān)三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電器，對開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。
一、極性保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護(hù)的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)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?qū)ǖ钠骷梢詫崿F(xiàn)電源的極性保護(hù)。由于二極管D要流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個環(huán)節(jié),可以省去極性保護(hù)所需的大功率二極管,功耗也將減小。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。
二、程序保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率，為保護(hù)開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時的安全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機(jī)程序。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)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。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關(guān)的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。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(jī)時應(yīng)該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關(guān)穩(wěn)壓器供電，如圖2所示。這種電路稱之謂開關(guān)穩(wěn)壓器的“軟啟動”電路。
大功率可調(diào)直流電源的控制電路中的邏輯組件或者運(yùn)算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先于開關(guān)電路工作。這可用開機(jī)程序控制電路來保證。一般的開機(jī)程序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護(hù)→開機(jī)程序電路工作→輔助電源工作并通過限流電阻R對開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→開關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作，短路限流電阻→開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作。
大功率可調(diào)直流電源中,剛開機(jī)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。在這段時間內(nèi),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(diào)節(jié)特性將迫使開關(guān)三極管的導(dǎo)通時間加長,這樣一來,開關(guān)三極管就會在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞。為此,要求在開機(jī)這一段時間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電路輸出給開關(guān)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，能保證開關(guān)三極管由截止逐漸趨于正常的開關(guān)狀態(tài)，故而要加設(shè)開機(jī)保護(hù)以配合軟啟動。
三、過電流保護(hù)
當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、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(guān)三極管的電流過大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護(hù)裝置,大功率開關(guān)三極管就有可能損壞。故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護(hù)是常用的。最經(jīng)濟(jì)簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護(hù)作用,常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點，但是,需要根據(jù)具體開關(guān)三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格。這種過流保護(hù)措施的缺點是帶來經(jīng)常更換保險絲的不便。
在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點,這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開關(guān)三極管,而必須使過電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護(hù)開關(guān)三極管。為了實現(xiàn)過電流保護(hù)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(guān)穩(wěn)壓器的場合。而在大功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗，應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護(hù)。
四、過電壓保護(hù)
開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路。用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路如圖3所示。
在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R，使晶體管V導(dǎo)通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過電壓保護(hù)電路。
輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對輸出為5V的開關(guān)穩(wěn)壓器來說,它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時,開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)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。常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。最簡單的過電壓保護(hù)電路如圖4所示。
當(dāng)輸出電壓過高時,穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險絲或電路保護(hù)器將輸入切斷,保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時間相當(dāng)于晶閘管的開通時間，約為5～10μs。它的缺點是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定。另外，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，給調(diào)試帶來了困難。圖5是改進(jìn)后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準(zhǔn)電壓。
輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通�；鶞�(zhǔn)電壓Vz由式來確定，UBE1為V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，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(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動作電壓是5.5～6V。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/℃。因此,溫度變化大的場合保護(hù)電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。
五、欠電壓保護(hù)
輸出電壓低于規(guī)定值時，反映了輸入直流電源、開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或者輸出負(fù)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，會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關(guān)三極管，也危及輸入電源。因此，要設(shè)欠電壓保護(hù)。簡單的欠電壓保護(hù)如圖6所示。
當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動作，觸點吸合，開關(guān)穩(wěn)壓器加電。當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時，穩(wěn)壓管ZD不通，V截止，觸點跳開，開關(guān)穩(wěn)壓器不能工作。
大功率可調(diào)直流電源內(nèi)部，由于控制電路失�；蛘唛_關(guān)三極管失效會使輸出電壓下降；負(fù)載發(fā)生短路也會使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn)壓器中欠電壓的保護(hù)是跟過電流保護(hù)緊密相關(guān)的，因而更加重要。實現(xiàn)方法是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器，如圖7所示。
正常時，比較器沒有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動告警電路;同時反饋到開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，使開關(guān)三極管截止或切斷輸入電源。
六、過熱保護(hù)
大功率可調(diào)直流電源的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，電源裝置內(nèi)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。否則，會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率開關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)。
采用溫度繼電器來檢測電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實現(xiàn)對電源的過熱保護(hù)。亦可將溫度繼電器置于開關(guān)三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電器，對開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。
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