第二章開關(guān)電源基本電路設(shè)計補(bǔ)充

1、2.3 保護(hù)電路電路 一一 過流保護(hù)電路過流保護(hù)電路 1 過流保護(hù)電路的功能和組成 * 功能 發(fā)生過流時，立即某種方式消除過流，保護(hù)電路器件不會損壞。* 產(chǎn)生過流的原因負(fù)載過載或輸出短路整流器件失效開關(guān)管失效干擾等因素造成的誤導(dǎo)通2 過流保護(hù)電路的設(shè)計（1）電流傳感器檢測過流保護(hù)電路* 組成電流信號檢測電路過流信號處理電路封鎖開關(guān)脈沖電路* 簡單的保護(hù)方法 利用熔斷器，但動作慢，不足以實現(xiàn)快速保護(hù)，一般使用由電子元器件構(gòu)成的保護(hù)電路。* 電流信號檢測電路DRSCSRCUS 脈沖電流后沿尖峰是開關(guān)管關(guān)斷時的初級漏感和引線電感造成的。 脈沖電流前沿尖峰是由次級整流二極管的反向恢復(fù)造成的變壓器次級暫

2、時短路引起的。* 過流信號處理電路R1R2R3UREFUSU1 過流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過流保護(hù)應(yīng)該是不可以自恢復(fù)的。實現(xiàn)方式，反饋自鎖。 加兩級濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。* 封鎖開關(guān)脈沖電路（2）功率開關(guān)管過流狀態(tài)的自動識別* 注意，與截止時的電壓相區(qū)別。* 具有快速、可靠、方便的優(yōu)點(diǎn)?？勺枣i的處理電路R1R2R3UREFUSU1R4D1 把過流信號處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號輸入端即可。 * 根據(jù)：GTR、GTO、IGBT等的導(dǎo)通壓降是和導(dǎo)通時通過的電流有關(guān)的，當(dāng)管子中電流增加時，其導(dǎo)通壓降也會明顯上升。 * 功率MOSFET是阻性負(fù)載，導(dǎo)通壓降也

3、和導(dǎo)通時的電流有關(guān)。二二 輸出過壓、欠壓保護(hù)電路輸出過壓、欠壓保護(hù)電路 1 過壓、欠壓狀態(tài)的判斷R1R2UBR4R3UCC0UAB* 比較器A用于輸出過壓判斷。* 比較器B用于輸出欠壓判斷。* 調(diào)整電阻R1、R2、R3可改變保護(hù)點(diǎn)。、* 正常時，UB=“0”；保護(hù)時， UB=“1”。CHURRRRRU13232上限下限CLURRRRU13232 保護(hù) 把過壓、欠壓判斷電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號輸入端即可。3 小功率電源中的過壓保護(hù)* 利用穩(wěn)壓二極管結(jié)合過流保護(hù)電路可實現(xiàn)。 * 選擇穩(wěn)壓值UZ大于輸出電壓1V左右的穩(wěn)壓二極管，當(dāng)發(fā)生過壓時，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓被箝位在UZ，

4、同時產(chǎn)生較大的電流，使過流保護(hù)電路動作。* 對于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。U0CLDZ三三 輸入過壓保護(hù)電路輸入過壓保護(hù)電路 1 輸入連續(xù)過壓保護(hù)（1）基本方法CC3C2R3R1R2R4R5R6R7DZT2T1AB* 是在濾波電容后取樣，對瞬間過壓不起作用。* 利用R6、R5、T1可改變基準(zhǔn)電壓，避免產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 * 保護(hù)時，利用發(fā)出的保護(hù)信號可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級DC/DC變換器工作。（3）改進(jìn)方法（2）存在問題 保護(hù)不徹底，后級DC/DC變換器雖停止工作，功率開關(guān)得到保護(hù)，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過濾波電容的耐壓值時，濾波電容會過壓擊穿。 * 在判斷保護(hù)后，發(fā)出保護(hù)信號同時，控

5、制繼電器或接觸器動作、斷開主回路；不過壓時，繼電器觸點(diǎn)吸合，不影響正常工作。* 特點(diǎn)： 保護(hù)徹底，適合中、大功率電源中應(yīng)用； 電路復(fù)雜，成本高。2 輸入瞬間過壓保護(hù)（1）原因（2）保護(hù)方法 * 電網(wǎng)上電感性負(fù)載的開、關(guān)，雷電感應(yīng)等都會在電網(wǎng)電壓上產(chǎn)生尖峰電壓，有的達(dá)數(shù)千伏。 * 這些尖峰電壓的能量有強(qiáng)有弱，一般雷電引起的尖峰電壓能量較強(qiáng)，有可能損壞電源。* 在輸入端并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻。CRVEMI * 當(dāng)交流尖峰電壓串入時，經(jīng)EMI濾波器后，有了一定的衰減； * 若衰減后的尖峰仍大于壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值時，則壓敏電阻的阻值急劇下降，把尖峰能量吸收，電源得到保護(hù)。 * 要合理選擇壓敏電阻的連

6、續(xù)工作電壓值，一般要高于連續(xù)工作電壓上限的20%左右。四四 軟啟動電路軟啟動電路 1 軟啟動 * 軟啟動是指電源啟動時，其輸出電壓隨時間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。 * 需要軟啟動的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開始工作時電容兩端電壓為零，未儲能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導(dǎo)致： * 軟啟動時間，指輸出電壓上升到0.9U0時所用時間，一般為幾百毫秒。 在很短時間內(nèi)形成很大的充電電流，對整流二極管、功率開關(guān)、電容自身都會造成嚴(yán)重的過流沖擊。 易使過流或短路保護(hù)動作，影響電源的正常啟動及使用壽命。tU00.9U0T12 軟啟動過程3 軟啟動實現(xiàn)方法 * 指電源啟動時，使功率開關(guān)管的驅(qū)動脈寬從

7、0開始緩慢地展寬到額定輸出電壓時所對應(yīng)的寬度。 * 軟啟動可利用電容的充電特性來實現(xiàn)。UREFCR2R1 * 供電時，基準(zhǔn)電壓UREF立刻建立，但電容C的存在，使電壓誤差放大器同相輸入端電壓從零逐漸上升、使PWM脈沖寬度從零開始緩慢展寬。 * 關(guān)機(jī)時，電容C通過電阻R2放電，再次啟動時仍具有軟啟動功能。5 軟啟動與輸入浪涌電流抑制電路的關(guān)系 * 在輸入濾波電容充電結(jié)束，限流電阻短路后，輸出軟啟動電路才開始工作。4 軟啟動控制電路設(shè)計 * 在各種PWM控制芯片里，一般都有軟啟動控制電路，只需要在設(shè)置端外接一個電容即可。* 如需要對其進(jìn)行控制時：PWM控制XRCSS X=1時，三極管導(dǎo)通、無脈沖輸

8、出； X=0時，三極管截止、正常啟動工作。五五 過熱保護(hù)過熱保護(hù) 1 熱敏電阻2 溫度開關(guān)4.4 熱回路設(shè)計 一 半導(dǎo)體器件熱設(shè)計的必要性1 器件芯片最高允許結(jié)溫的限制 器件芯片的溫度超過結(jié)溫，將引起器件電的或熱的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致器件的失效。一般，硅材料在200以下，鍺材料在100 以下。二二 功率開關(guān)管損耗計算功率開關(guān)管損耗計算 1 電阻性負(fù)載開關(guān)管的開關(guān)損耗2 半導(dǎo)體器件還要受到溫度變化的限制 半導(dǎo)體芯片是通過焊劑焊在基座上的，因為其接觸部分熱膨脹系數(shù)不同，所以外部溫度頻繁變化時，會使結(jié)合面材料疲軟，致使兩個表面分離，最終導(dǎo)致器件的失效。RLuceicUitticucetontoff 開關(guān)管

9、兩端電壓下降和開關(guān)管中電流上升是同步的，只是方向相反。onirtt 開通電流上升時間offiftt關(guān)斷電流下降時間2 電感性負(fù)載開關(guān)管的開關(guān)損耗RLuceicUiiLiD * 在開關(guān)管截止期間，iC=0、 iL= iD，負(fù)載通過二極管續(xù)流、 uce=Ui。 * 導(dǎo)通時，iC增加到iL以前，二極管仍導(dǎo)通，uce=Ui，只有經(jīng)過tvr后iL= ic，二極管截止， uce下降、經(jīng)tvf后下降到零而關(guān)斷。 * 關(guān)斷時，iC稍一下降，二極管便開始導(dǎo)通、 uce經(jīng)很短時間tvr上升到Ui 、電流才開始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關(guān)斷。)(6100ifirmittceccecoffonttIfUdtuif

10、dtuifPirif)(6100ifvrvfirmittceccecoffonttttIfUdtuifdtuifPirif3 開關(guān)管的導(dǎo)通損耗mcesmcesONONIDUIUTTP* 對于GTR、GTO、IGBT ，Uces有一定的參考值。* 對于MOSFET，一般給出Rds ，其損耗為 DRIPDSmON24 開關(guān)管的截止損耗很小可忽略二二 二極管損耗計算二極管損耗計算 1 二極管的反向恢復(fù)損耗ftUIPrrDMmrr5 . 02 二極管的通態(tài)損耗FmONUDIP3 二極管的開通損耗二極管的開通時間很短，開通損耗可忽略。4 二極管的截止損耗二極管的截止漏電流很小，截止損耗可忽略。UDM二極

11、管承受的反向電壓三 熱的傳輸方式熱的傳輸有三種形式：傳導(dǎo)、對流、輻射 * 傳導(dǎo)是熱能從一個質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)下一個質(zhì)點(diǎn)，而質(zhì)點(diǎn)保持不動的過程。1 傳導(dǎo)12()KAPTTL * 熱的傳導(dǎo)與電的傳輸相似：上式中的P是熱流功率，A為傳導(dǎo)體的截面積，L為傳導(dǎo)體的長度，括號內(nèi)為溫度差。* K 是材料的導(dǎo)熱率，其量綱為W/cm2 。* 銅的導(dǎo)熱率為4.01；鋁的導(dǎo)熱率為2.25。 * 此式與導(dǎo)體中的電流計算式相似，所以可以應(yīng)用分析電路的方法分析熱路。 * 對流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對流，稱為自然對流。相對的還有強(qiáng)迫對流，就是強(qiáng)迫將被加熱的介質(zhì)帶走熱量。2 對流LRS12U UIR12()KSIU UL12

12、()KAPTTL * 被加熱的介質(zhì)變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對流.3 輻射 * 輻射是借助于電磁波的形式將熱傳輸出去。它與輻射面的表面積、粗糙度和顏色有關(guān)。* 三種傳熱方式往往同時存在，熱傳輸是多維的。 * 如，芯片到外殼的熱傳輸主要是傳導(dǎo)，對流和輻射可忽略不計；在高空條件下，對流處于次要地位，主要是傳導(dǎo)和輻射散熱。四 熱路歐姆定律1 熱阻 * 表示介質(zhì)傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，用Rth表示。* 熱阻的單位是/W* 一般在說明熱阻時，要說明從某處到某處的熱阻。2 熱路歐姆定律* 根據(jù)熱電相似原理引入熱路的概念 * 在熱路中，熱流相當(dāng)于電路中的電流，熱阻相當(dāng)于電路中的電阻

13、，溫度差相當(dāng)于電位差。thabPRT * 即，當(dāng)熱量從A物體向它周圍的B物體擴(kuò)散，A物體的溫升等于A物體的發(fā)熱功率與從A到B的熱阻的乘積。 * 如物體內(nèi)有N個發(fā)熱點(diǎn)，其熱功率分別為P1、P2 Pn，則引起A處溫升的總功率為nPPPP213 等效熱路* 開關(guān)電源中的功率開關(guān)管或整流二極管的等效熱路 * 在散熱系統(tǒng)中，芯片會與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分別如圖所示。 * 殼與環(huán)境的熱阻要遠(yuǎn)大于殼與散熱器的熱阻，所以前一熱路可等效為后一熱路。* Tj、TC、TS、Ta分別是芯片、殼、散熱器、環(huán)境溫度。 * Rjc、Rca、Rcs、Rsa分別是芯片到殼、殼到環(huán)境、殼到散熱器、散熱

14、器到環(huán)境的熱阻。()jajccssaTTRRRP* 該環(huán)路中流動的是熱功率* 應(yīng)該注意到該熱路及方程只是穩(wěn)態(tài)時等效熱路五.外部熱阻的確定方法和散熱器設(shè)計1 芯片到殼的熱阻 * 芯片到殼的熱阻可通過廠家提供的手冊查找* 不提供時，可用下式計算jMcjccMTTRPTjm公司給出的最高允許結(jié)溫TC環(huán)境25時最高允許殼溫PCM公司給出的最大允許功耗* 一般WRjc/25 . 02 殼到散熱器的熱阻/csRA * 殼到散熱器的熱阻與二者之間的接觸面積及粗糙程度有關(guān)，為接觸熱阻。 * A 是接觸面積（cm）、 為接觸系數(shù)（cm2）/W、金屬金屬，有硅脂時為0.5；無硅脂時為1。* 如果二者之間需要加絕緣，可用后式計算。csRLKA* 其中，K為導(dǎo)熱率，L為墊片厚度，A 為墊片截面積。3 散熱器到環(huán)境的熱阻 * 鋁型材散熱器當(dāng)翼片氣流方向垂直于水平面，光潔表面，黑色氧化時，有經(jīng)驗公式)/(29515. 07 . 0WPARsaA 為散熱器的表面面積（cm2）P 為流入散熱器的功率