高頻開關直流電源的保護技術

圖4 簡單的輸出過電壓保護

圖5 輸出過電壓保護

輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導通，晶閘管就導通。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當穩定。當穩壓管為7V時，其溫度系數和晶體管V1的發射結(BE)電壓的溫度系數可以抵消，能使溫度系數降得很低。但是對于輸出為(5～5.5)V的直流開關穩壓器來說，其常用的動作電壓是(5.5～6)V。那么穩壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩壓管溫度變化系數是(-20～-30)mV/℃。因此，溫度變化大的場合保護電路還會發生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關穩壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法。利用比較器輸出狀態的改變跟相應的邏輯電路配合，構成過電壓保護電路，這種電路既靈敏又穩定。

6 欠電壓保護

輸出電壓低于規定值時，反映了輸入直流電源、開關穩壓器內部或者輸出負載發生異常。輸入直流電源電壓下降到規定值之下時，會導致開關穩壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關三極管，也危及輸入電源。因此，要設欠電壓保護。簡單的欠電壓保護如圖6所示。

當未穩壓輸入的電壓值正常時，穩壓管ZD擊穿，晶體管V導通，繼電器動作，觸點吸合，開關穩壓器加電。當輸入低于所允許的最低電壓值時，穩壓管ZD不通，V截止，觸點跳開，開關穩壓器不能工作。開關穩壓器內部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，負載發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穩壓器中，欠電壓的保護是跟過電流保護緊密相關的，因而更加重要。實現方法是在開關穩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

圖7 欠壓保護方框圖

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，驅動告警電路。同時，反饋到開關穩壓器的控制電路，使開關三極管截止或切斷輸入電源。

7 過熱保護

開關穩壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內的功率密度大大提高，電源裝置內部的元器件對其工作環境溫度的要求也相應提高。否則，會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此，在大功率開關穩壓器中應該設過熱保護。

采用溫度繼電器檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產生過熱時，溫度繼電器動作，使整機告警電路處于告警狀態，實現對電源的過熱保護。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℃，調節溫度整定值為60℃。當管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電路，對開關管進行保護。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，它可以用作溫度指示電路。根據p型控制柵熱晶閘管的特性，由Rt〔見圖8(a)〕值確定該器件的導通溫度，Rt越大，導通溫度越低。當將其放置在功率開關三極管附近或在電源裝置內時，它能起到溫度指示作用。當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過允許值時，熱晶閘管導通，使發光二極管發亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動作，保護開關穩壓器。它亦可以像圖8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護，晶體開關管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關管截止，切斷集電極電流，防止過熱。

(a) (b)

圖8 過熱保護： (a) 采用P型熱晶閘管 ;(b) 采用N型熱晶閘管

8 結束語

對一個給定的開關穩壓電源來說，還應從整機保護方面考慮以下幾點要求。

(1) 把開關穩壓器中所應用的開關三極管限制在直流安全工作區域之內工作。

(2) 把開關穩壓器的輸出限制在所給定的技術指標之內。

(3) 由以上兩點確定了保護方式之后，再根據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。

(4) 電源中加設了保護電路之后會影響系統的可靠性，為此，要求保護電路本身的可靠性要高，以提高整個電源系統的可靠性，進而提高電源本身的MTBF。

(5) 必須全面系統地考慮開關電源各種保護措施，確保開關電源的正常工作和高效率與高可靠性。

參考文獻

[1] 李愛文，現代逆變技術及應用[M]，北京:科學出版社，2000

[2] 何希才，新型開關電源設計與應用[M]，北京:科學出版社，2001

作者簡介

劉峰(1974—)男，工程師，東北電力大學畢業，研究方向為變電站直流電源系統的集成。■

更多好文：21ic電源