直流開關穩壓電源的保護技術

當輸出電壓過高時,穩壓管被擊穿,觸發晶閘管導通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險絲或電路保護器將輸入切斷,保護了負載。這種電路的響應時間相當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，溫度系數大，動作點不穩定。另外，穩壓管存在著參數的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，給調試帶來了困難。圖5是改進后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。

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。基準電壓Vz由式

Esc=(R1＋R2)(Vz＋UBEI)/R1

來確定，UBE1為V1的發射結（BE）電壓降。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5～5.5V的直流開關穩壓器來說，其常用的動作電壓是5.5～6V。那么穩壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩壓管的溫度變化系數是－20～－30mV/℃。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，利用比較器的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了異常。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。

圖6 輸入欠電壓保護

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。

采用溫度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產生過熱時，溫度繼電器就動作，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器，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(TT102)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。當將其放置功率開關三極管附近，或在電源裝置內時，它就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，熱晶閘管就導通，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。它亦可以象圖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控制柵型熱晶閘管TT201旁路，開關管截止，切斷集電極電流,防止過熱。

(a) 采用P型熱晶閘管 (b) 采用n型熱晶閘管

圖8 過熱保護

8 結語

以上分別討論了在開關穩壓器中的各種保護方式,并介紹了一些具體實現的方法。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：

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。對于選定的開關三極管,由晶體管手冊可查得其直流安全工作區。根據集電極電流的最大值來確定輸入過電流的保護值。但是,這個瞬時最大值應轉換為電流的平均值。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關管的動態負載線不超過直流安全工作區的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護的電壓值。

2)把開關穩壓器的輸出限制在所給定的技術指標之內。在所要求的工作溫度范圍內,開關穩壓器的輸出電壓的上、下限就是輸出過、欠電壓保護的電壓值。過電流保護則可根據最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護值應適當留一定的余量。

3)由以上兩點確定保護方式之后,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。聲警適用于整機比較復雜、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生的部位和類型。保護措施要視所保護的部位來確定。在大功率,多路電源的場合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構成自動保護措施,切斷電源的輸入使系統停止工作,免受損害。通過邏輯控制電路使相應的開關三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經濟。這樣可以省去體積大,響應時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器。

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。這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單、元器件最少，除此而外還要考慮到保護電路本身出故障時維修難度和其所保護的電源損壞程度。

所以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。