直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用

1、科技信息 2007年 第 24期 SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION0. 引言直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中所使用的大功率開(kāi)關(guān)器件價(jià)格較貴 , 其控制電 路亦比較復(fù)雜 , 另外 , 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的負(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 。 因而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的保護(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(lèi)很多 , 結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) , 在這里對(duì)各種保護(hù)技術(shù) , 包括極 性保護(hù) 、 程序保護(hù) 、 過(guò)電流保護(hù) 、 過(guò)電壓保護(hù) 、 欠電壓保護(hù)以及過(guò)熱保 護(hù)等電路的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行歸納和比較 。 并將我們?cè)趯?shí)踐中應(yīng)

2、用的一 種用低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的方案做個(gè)介紹 。一 、 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的各種保護(hù)方式1. 極性保護(hù) 直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器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(huì)將其極性接錯(cuò) , 將損壞開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 。 極性保護(hù)的目的 , 就是使開(kāi)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(shí)才能工作 。 利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫?shí)現(xiàn)電源的極性保護(hù) 。 最簡(jiǎn)單的極性保護(hù)電路如圖 1所示 。 由于二極管 D 要流過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器上比較合 適 。 在較大功率的場(chǎng)合 , 則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個(gè)環(huán) 節(jié) , 可以省去極性保護(hù)所需的大

3、功率二極管 , 功耗也將減小 。 為了操作 方便 , 便于識(shí)別極性正確與否 , 在圖 1中的二極管之后 , 接指示燈 。圖 1簡(jiǎn)單的極性保護(hù)2. 程序保護(hù) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜 , 基本上可以分為小 功率的控制部分和大功率的開(kāi)關(guān)部分 。 開(kāi)關(guān)晶體管則屬大功率 , 為保 護(hù)開(kāi)關(guān)晶體管在開(kāi)啟或關(guān)斷電源時(shí)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(kāi)機(jī)程序 。 開(kāi)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(kāi)機(jī)瞬間 , 濾波電 容器會(huì)流過(guò)很大的浪涌電流 , 這個(gè)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(huì)使普通電源

4、開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔 化 , 并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷 。 另外 , 浪涌電流也會(huì)損害電容器 , 使之壽命縮 短 , 過(guò)早損壞 。 為此 , 開(kāi)機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻 , 通過(guò)這個(gè)限流電阻 來(lái)對(duì)電容器充電 。 為了不使該限流電阻消耗過(guò)多的功率 , 以致影響開(kāi) 關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作 , 而在開(kāi)機(jī)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后 , 用一個(gè)繼電器自動(dòng) 短接它 , 使直流電源直接對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電 , 如圖 2所示 。 這種電路稱(chēng) 之謂開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 “ 軟啟動(dòng) ” 電路 。圖 2軟啟動(dòng)電路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器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(kāi)關(guān)電路工作 。 這可用開(kāi)機(jī)程序控

5、制電路來(lái)保證 。 一般的開(kāi)機(jī)程序是 :輸入電源的極性鑒別 , 電壓保護(hù) 開(kāi)機(jī)程序電路工作 輔助電源工作并通過(guò)限流電阻 R 對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 的輸入電容器 C 充電 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作 , 短路限流電阻 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作 。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中 , 剛開(kāi)機(jī)時(shí) , 因?yàn)槠漭敵鲭娙萑萘看?, 充到額定輸 出電壓值需要一定時(shí)間 。 在這段時(shí)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(kāi)關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng) , 這 樣一來(lái) , 開(kāi)關(guān)三極管就會(huì)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(kāi)機(jī)這一段時(shí)間內(nèi) , 開(kāi)關(guān)調(diào)制電路輸出給開(kāi)關(guān)三極管基極的 脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)

6、信號(hào) , 能保證開(kāi)關(guān)三極管由截止逐漸趨于正常的開(kāi)關(guān)狀 態(tài) , 故而要加設(shè)開(kāi)機(jī)保護(hù)以配合軟啟動(dòng) 。3. 過(guò)電流保護(hù) 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路 、 過(guò)載或者控制電路失效等意外 情況時(shí) , 會(huì)引起流過(guò)穩(wěn)壓器中開(kāi)關(guān)三極管的電流過(guò)大 , 使管子功耗增 大 , 發(fā)熱 , 若沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置 , 大功率開(kāi)關(guān)三極管就有可能損壞 。 故而 在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中過(guò)電流保護(hù)是常用的 。 最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法是用保險(xiǎn) 絲 。 由于晶體管的熱容量小 , 普通保險(xiǎn)絲一般不能起到保護(hù)作用 , 常用 的是快速熔斷保險(xiǎn)絲 。 這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn) , 但是 , 需要根據(jù) 具體開(kāi)關(guān)三極管的安全工作區(qū)要求來(lái)選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格 。 這種過(guò)流保 護(hù)措

7、施的缺點(diǎn)是帶來(lái)經(jīng)常更換保險(xiǎn)絲的不便 。在線(xiàn)性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 中均能應(yīng)用 。 但是 , 根據(jù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn) , 這種保護(hù)電路的輸出不能 直接控制開(kāi)關(guān)三極管 , 而必須使過(guò)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(kāi)關(guān)三極管 。 為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)一般均需要用取 樣電阻串聯(lián)在電路中 , 這會(huì)影響電源的效率 , 因此多用于小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn) 壓器的場(chǎng)合 。 而在大功率的開(kāi)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(guò)電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過(guò) 、 欠電壓保護(hù) 。 4. 過(guò)電壓保護(hù) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和 輸出過(guò)

8、電壓保護(hù) 。 開(kāi)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(guò)高 , 使開(kāi)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(guò)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 。圖 3輸入過(guò)電壓保護(hù)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(shí) , 穩(wěn)壓管擊穿 , 有電流流過(guò)電阻 R , 使晶體管 V 導(dǎo)通 , 繼電器動(dòng)作 , 常閉接點(diǎn)斷開(kāi) , 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(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起 , 構(gòu)成極性 保護(hù)鑒別與過(guò)電壓保護(hù)電路 。輸出過(guò)電壓保

9、護(hù)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的 。 特別對(duì)輸出為 5V 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō) , 它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件 。 如果 在工作時(shí) , 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)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(shí)造成很大的損失 。 常用的方 法是晶閘管短路保護(hù) 。 最簡(jiǎn)單的過(guò)電壓保護(hù)電路如圖 4所示 。 當(dāng)輸出 電壓過(guò)高時(shí) , 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(guò)電 流 , 通過(guò)保險(xiǎn)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(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開(kāi)通時(shí)間 , 約為 510s 。 它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓 是固定的 , 溫度系數(shù)大 ,

10、動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定 。 另外 , 穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離 散性 , 型號(hào)相同但過(guò)電壓起動(dòng)值卻各不相同 , 給調(diào)試帶來(lái)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 。圖 4簡(jiǎn)單的輸出過(guò)電壓保護(hù)直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用奚臨曉(太倉(cāng)市供電公司 江蘇 太倉(cāng) 215400 電力與能源 571科技信息 2007年 第 24期 SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION圖 5輸出過(guò)電壓保護(hù)輸出電壓 Esc 突然升高 , 晶體管 V1、 V2導(dǎo)通 , 晶閘管就導(dǎo)通 。 基準(zhǔn)電壓 Vz 由式 E =(R 1+R 2(V i +U RE1/R

11、 1來(lái)確定 , UBE1為 V1的發(fā)射結(jié) (BE 電壓降 。 本電路的動(dòng)作電壓可變 , 并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定 。 當(dāng)穩(wěn)壓 管為 7V 時(shí) , 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(duì)于輸出為 55.5V 的直流開(kāi) 關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō) , 其常用的動(dòng)作電壓是 5.56V 。 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(chǎng)合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作 。 采用集成電路電壓 比較器來(lái)檢測(cè)開(kāi)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

12、應(yīng)的邏輯電路配合 , 構(gòu)成過(guò)電壓保護(hù)電 路 , 這種電路既靈敏又穩(wěn)定 。5. 欠電壓保護(hù) 輸出電壓低于規(guī)定值時(shí) , 反映了輸入直流電源 、 開(kāi)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(shí) , 會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落 , 輸入電流增大 , 既 危及開(kāi)關(guān)三極管 , 也危及輸入電源 。 因此 , 要設(shè)欠電壓保護(hù) 。 簡(jiǎn)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(shí) , 穩(wěn)壓管 ZD 擊穿 , 晶體管 V 導(dǎo)通 , 繼電器動(dòng)作 , 觸點(diǎn)吸合 , 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器加電 。 當(dāng)輸入低于所允許的最低電 壓值時(shí) , 穩(wěn)壓管 ZD 不通 , V 截止 , 觸點(diǎn)跳開(kāi)

13、, 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能工作 。 開(kāi) 關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部 , 由于控制電路失?；蛘唛_(kāi)關(guān)三極管失效會(huì)使輸出電壓 下降 ; 負(fù)載發(fā)生短路也會(huì)使輸出電壓下降 。 特別在升壓型或反相升壓 型的直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中欠電壓的保護(hù)是跟過(guò)電流保護(hù)緊密相關(guān)的 , 因 而更加重要 。 實(shí)現(xiàn)方法是在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器 , 如圖 7所示 。圖 6輸入欠電壓保護(hù) 圖 7欠壓保護(hù)方框圖 正常時(shí) , 比較器沒(méi)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(dòng)告警電路 ; 同時(shí)反饋到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路 , 使開(kāi)關(guān)三極 管截止或切斷輸入電源 。6. 過(guò)熱保護(hù) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積 , 使其單位體 積內(nèi)的功率

14、密度大大提高 , 電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度 的要求也相應(yīng)提高 。 否則 , 會(huì)使電路性能變壞 , 元器件過(guò)早失效 。 因此 在大功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過(guò)熱保護(hù) 。采用溫度繼電器來(lái)檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度 , 當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn) 生過(guò)熱時(shí) , 溫度繼電器就動(dòng)作 , 使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài) , 實(shí)現(xiàn)對(duì) 電源的過(guò)熱保護(hù) 。 亦可將溫度繼電器置于開(kāi)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(guò)允許值后繼電器就切斷電器 , 對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護(hù) 。 半導(dǎo)體熱 敏開(kāi)關(guān)器件 “ 熱晶閘管 ” 在超溫保護(hù)方面有重要作用 。 它可以用作溫度

15、 指示電路 。 根據(jù) p 型控制柵熱晶閘管 (TT102 的特性 , 由 RT 見(jiàn)圖 8(a 值確定該器件的導(dǎo)通溫度 , RT 越大 , 導(dǎo)通溫度越低 。 當(dāng)將其放置功率 開(kāi)關(guān)三極管附近 , 或在電源裝置內(nèi)時(shí) , 它就能起到溫度指示作用 。 當(dāng)功 率管的管殼溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過(guò)允許值時(shí) , 熱晶閘管就導(dǎo) 通 , 使發(fā)光二極管發(fā)亮告警 。 倘若配合光電耦合器 , 就可使整機(jī)告警電 路動(dòng)作 , 保護(hù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 。 它亦可以象圖 8(b 那樣用作功率晶體管的 過(guò)熱保護(hù) , 晶體開(kāi)關(guān)管的基極電流被 n 控制柵型熱晶閘管 TT201旁 路 , 開(kāi)關(guān)管截止 , 切斷集電極電流 , 防止過(guò)熱 。圖 8

16、過(guò)熱保護(hù)二 、 整機(jī)保護(hù)以上分別討論了在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的各種保護(hù)方式 , 并介紹了一些 具體實(shí)現(xiàn)的方法 。 對(duì)一個(gè)給定的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō) , 還應(yīng)從整機(jī)保護(hù) 方面考慮以下幾點(diǎn) :1. 把開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中所應(yīng)用的開(kāi)關(guān)三極管限制在直流安全工作區(qū) 域之內(nèi)工作 。 對(duì)于選定的開(kāi)關(guān)三極管 , 由晶體管手冊(cè)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(lái)確定輸入過(guò)電流的保護(hù)值 。 但 是 , 這個(gè)瞬時(shí)最大值應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流的平均值 。 在額定輸出電流與輸出 電壓的條件下 , 開(kāi)關(guān)管的動(dòng)態(tài)負(fù)載線(xiàn)不超過(guò)直流安全工作區(qū)的最大輸 入電壓 , 就是輸入過(guò)電壓保護(hù)的電壓值 。2. 把開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術(shù)指標(biāo)

17、之內(nèi) 。 在所要求 的工作溫度范圍內(nèi) , 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓的上 、 下限就是輸出過(guò) 、 欠 電壓保護(hù)的電壓值 。 過(guò)電流保護(hù)則可根據(jù)最大輸出電流來(lái)確定 。 為了 不誤告警 , 保護(hù)值應(yīng)適當(dāng)留一定的余量 。3. 由以上兩點(diǎn)確定保護(hù)方式之后 , 再根據(jù)電源裝置的需要來(lái)確定 告警措施 。 一般告警措施有聲警和光警兩種 。 聲警適用于整機(jī)比較復(fù) 雜 、 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(lèi)型 。 保護(hù)措施要視所保護(hù)的部位來(lái)確定 。 在大功率 , 多路電源的場(chǎng)合 , 總是 用交 、 直流斷路器 , 高靈敏繼電器等構(gòu)

18、成自動(dòng)保護(hù)措施 , 切斷電源的輸 入使系統(tǒng)停止工作 , 免受損害 。 通過(guò)邏輯控制電路使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)三極 管截止的方案顯得既靈敏方便又經(jīng)濟(jì) 。 這樣可以省去體積大 , 響應(yīng)時(shí) 間長(zhǎng) , 價(jià)格貴的大功率繼電器或斷路器 。4. 電源中加設(shè)了保護(hù)電路之后會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性 , 為此要求保 護(hù)電路本身的可靠性要高 , 以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性 , 進(jìn)而提高 電源本身的 MTBF 。 這就要求保護(hù)的邏輯嚴(yán)密 , 電路簡(jiǎn)單 、 元器件最少 , 除此而外還要考慮到保護(hù)電路本身出故障時(shí)維修難度和其所保護(hù)的 電源損壞程度 。作者簡(jiǎn)介 :奚臨曉 , 女 , 1975年 12月 , 戶(hù)籍 :江蘇省太倉(cāng)市 , 學(xué)歷 , 本科 , 工作年限 :13年 。1994年 7月 2000年 4月 , 太倉(cāng)市供電公司 , 檢修部繼電保護(hù) 。 2000年 5月 至今 , 太倉(cāng)市供電公司 , 調(diào)度通信中心網(wǎng)絡(luò)管理 。 教育背景 :2003年 7月 2005年 9月 , 經(jīng)濟(jì)管理學(xué) , 本科 。2001年 7月 2005年