開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)研究

馬健

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

開(kāi)關(guān)電源在一些典型的電路系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，換個(gè)角度來(lái)講，開(kāi)關(guān)電路可以相當(dāng)于人類(lèi)的心臟。開(kāi)關(guān)電源在源源不斷地為電路系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還可以對(duì)保護(hù)系統(tǒng)避免受到來(lái)自外部和內(nèi)部的影響與損壞，比如，浪涌電流、雷擊電流和由于系統(tǒng)內(nèi)部故障造成的電力電源損害現(xiàn)象，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源時(shí)進(jìn)行保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際設(shè)計(jì)中，負(fù)載保護(hù)和過(guò)負(fù)載時(shí)的電源保護(hù)是在設(shè)計(jì)中不可缺少的存在。本文簡(jiǎn)要地依據(jù)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理和實(shí)際情況，對(duì)恒功率與恒電流控制的過(guò)電流保護(hù)電路進(jìn)行深入分析，并且對(duì)其用處與特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并且找到了一種應(yīng)用于瞬態(tài)過(guò)載情況下的延時(shí)過(guò)載保護(hù)電路。經(jīng)過(guò)研究表明，如果電路在保護(hù)電路的情況下，開(kāi)關(guān)元器件基本不能具備開(kāi)關(guān)能力，這就為峰值狀態(tài)下的負(fù)荷電源過(guò)載保護(hù)電路的設(shè)計(jì)找到了一個(gè)完美的突破口。

1 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源主要是利用當(dāng)代電子電力技術(shù)進(jìn)行對(duì)開(kāi)關(guān)的控制以及開(kāi)關(guān)時(shí)間比的控制，它是一種可以有效保證可以輸出穩(wěn)定電壓的一種開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源一般都是由許多脈沖寬度(PWM)構(gòu)成，來(lái)控制IC 與MOSFET。L 利用開(kāi)關(guān)電源和線性電源作比較我們可以發(fā)現(xiàn)，二者相似的方面就是他們的成本都是隨著輸出功率的增加而增大的。如果二者位于同一個(gè)功率節(jié)點(diǎn)上時(shí)，線性電源的成本要略高于開(kāi)關(guān)電源的成本，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就稱(chēng)為成本反折點(diǎn)。伴隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展與革新，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也隨著不斷嫻熟與創(chuàng)新。這就會(huì)使電源的成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)向著低輸出端慢慢靠近，從而促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)步與發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)中最主要的就是安全了。所以，在開(kāi)關(guān)電源在電子技術(shù)指標(biāo)完善并且使用要求合格的情況下，仍可以在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障的條件下可以進(jìn)行安全可靠的運(yùn)作，這就要求必須有盡可能多的保護(hù)電路，例如，防浪涌電流和高電壓、欠壓、熱量過(guò)高、電路過(guò)大、短路等情況下的保護(hù)電路。并且，在同一種開(kāi)關(guān)電源的電路中，不同種類(lèi)的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)一定要相互聯(lián)系與協(xié)調(diào)，這個(gè)問(wèn)題一定要得到重視。

2 短路保護(hù)

開(kāi)關(guān)電源在預(yù)先設(shè)定的輸出功率電平下，一般都會(huì)設(shè)計(jì)在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，因此，應(yīng)避免運(yùn)行超過(guò)額定輸出電流，但有時(shí)會(huì)意外發(fā)生短路，這時(shí)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，以免造成永久性損壞。當(dāng)前，限制電路可以最基本地保護(hù)電路。有一個(gè)輸出短路，NCP1230 可以快速響應(yīng)關(guān)閉輸出，直到短路故障消除。本文設(shè)計(jì)的電路是將極限電路放在一次側(cè)。在短路保護(hù)電路的電阻（R）上，主電流峰值將有一個(gè)比例電壓降。R 電阻的大小是由電壓來(lái)控制的。如果確定了R 處的壓降達(dá)到了電源引腳電壓限制值3V 時(shí)，NCP1230 的驅(qū)動(dòng)引腳就會(huì)立刻作出反應(yīng)迅速停止電流的輸出，進(jìn)而關(guān)閉電源的總輸出。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種電路是一個(gè)快速、準(zhǔn)確的限流電路。最重要的是，其限流值相對(duì)準(zhǔn)確為3V，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)販p小電阻功率損耗的辦法，進(jìn)一步提高電源的工作效率。

3 過(guò)載保護(hù)電路

在一般的開(kāi)關(guān)電源中，所帶的負(fù)載的輸出電壓其容量總是有限的。如果發(fā)生輸出一側(cè)所帶負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源設(shè)計(jì)時(shí)所允許的最大電流時(shí)，就一定要在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入過(guò)載保護(hù)電路的部分，從而達(dá)到保護(hù)輸出一側(cè)整流管不被大電流損害的目的。其設(shè)計(jì)的主體就是應(yīng)用了一個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器，電路中使用的運(yùn)算放大器就是ST 公司的LM358。第一階段運(yùn)算放大器采用一種特殊的差動(dòng)放大電路,其中,第一組電阻值都是1kb,第二組的阻值都是324k,這時(shí)候，所有的輸出信號(hào)均為高電平，這就會(huì)使處于第一階段運(yùn)算放大器以及第二階段的運(yùn)算放大器的電路達(dá)到一個(gè)開(kāi)環(huán)狀態(tài)。這時(shí)，它們的輸出信號(hào)將只有高、低電平兩個(gè)狀態(tài)。如果同一方向的輸入電壓遠(yuǎn)大于參考電壓時(shí)，輸出端就會(huì)表現(xiàn)為高電平，二極管處于導(dǎo)通的狀態(tài)，進(jìn)而觸發(fā)了OCP 信號(hào)，進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。當(dāng)同相端輸入高電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生過(guò)載保護(hù)。過(guò)載保護(hù)電路輸出電流檢測(cè)電阻值可變、可變電阻器的值的大小主要由負(fù)載極值控制。由于要考慮此保護(hù)電路要在以后的生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，不同的電源產(chǎn)品，其過(guò)載保護(hù)點(diǎn)有很大可能會(huì)不一樣，這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要運(yùn)用可變電阻，使過(guò)載保護(hù)點(diǎn)在相同的值上進(jìn)行調(diào)整。

4 過(guò)電壓保護(hù)電路

過(guò)壓保護(hù)電路的主要功能就是當(dāng)輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定的量程時(shí)，電路就會(huì)立刻做出響應(yīng)使輸出關(guān)閉，防止由于輸出電壓過(guò)大損壞外部負(fù)載(燒壞LCD 設(shè)備)。但是在實(shí)際應(yīng)用上，大部分開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)題都發(fā)生在“無(wú)輸出”的情況下，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)，就是為什么要進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)電路呢?原因如下。首先，在輸出可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源中，可以使用過(guò)壓保護(hù)電路來(lái)防止輸出的意外超調(diào)。其次，當(dāng)過(guò)壓情況發(fā)生時(shí)，必須保證其在安全范圍內(nèi)，即使這種情況不容易發(fā)生，所以只有添加了過(guò)壓保護(hù)電路，才能起到防患于未然的作用，可以最大程度地保證安全。通常情況下，開(kāi)關(guān)電源類(lèi)似于PC電源有多組輸出(+1，+5V，+3)。具有獨(dú)特的OVP 保護(hù)芯片，如DWA1O6、INs406 等。這種單組輸出電源目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的保護(hù)芯片，因此，要對(duì)其單獨(dú)設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路。

5 啟動(dòng)限流保護(hù)

開(kāi)關(guān)電源在進(jìn)行一次整流的過(guò)程中，其電路內(nèi)部將擁有大容量的濾波電容，整流管在電源運(yùn)行時(shí)會(huì)利用這些大電容進(jìn)行充電，促使整流管的極快的達(dá)到額定電流。從而一定程度上降低啟動(dòng)電流限制(浪涌電流)，開(kāi)關(guān)電源在一般情況下都會(huì)配有沖擊電路。電源運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí),開(kāi)關(guān)電源的變壓器的感應(yīng)電壓12V，充電時(shí)C2(對(duì)電源接口只有充電時(shí)間常數(shù)等于(C2)，通過(guò)整流管傳導(dǎo)，整流器電流不再通過(guò)電阻，而是由反饋電路返回陰極的整流橋。換個(gè)角度講，在一般的工作狀態(tài)下，VD6 短路R2 以阻止R2 發(fā)電。R2 只在啟動(dòng)時(shí)有效。采用晶閘管進(jìn)行起動(dòng)限流保護(hù)是一個(gè)絕佳的選擇，但由于其電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，從電路成本以及電路簡(jiǎn)捷等方面來(lái)考慮，用溫控電阻作啟動(dòng)限流保護(hù)既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單，而且安全可靠。

6 斷路過(guò)流保護(hù)

在一般情況下，預(yù)防電路發(fā)生過(guò)流最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的方法就是應(yīng)用保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲保護(hù)主要有交、直流保險(xiǎn)保護(hù)法。在由于意外情況發(fā)生負(fù)載電流時(shí)，電流往往會(huì)超過(guò)保險(xiǎn)絲的熔點(diǎn)(熔斷系數(shù)一般為1.5)時(shí)，保險(xiǎn)絲就被熔斷與擊穿，從而達(dá)到了過(guò)電流保護(hù)的目的。通常情況下，在電源電路剛接通的時(shí)候，因?yàn)槠潆娐分写嬖诘拇箅娙輹?huì)發(fā)生充電現(xiàn)象，這樣極容易產(chǎn)生大的浪涌電流，這些電路一般都是正常輸入電流的幾倍多，極容易使保險(xiǎn)絲熔斷，從而導(dǎo)致判斷失誤，這就是這種方式的主要缺點(diǎn)。

7 溫度檢測(cè)與保護(hù)電路

在開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部會(huì)擁有許多的功率發(fā)射器，這些功率發(fā)生器就會(huì)產(chǎn)生許多的熱量，主要是由于功率消耗造成的，這就會(huì)需要散熱的電路設(shè)計(jì)。倘若電源散熱器溫度過(guò)高時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)電源的性能，還會(huì)影響電源的使用安全。散熱電路中的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)功率一般為33V，散熱器的溫度主要由NTC 來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。伴隨著電源的應(yīng)用其內(nèi)部溫度逐啟動(dòng)并且逐漸加速。當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，就會(huì)收到電源外部環(huán)境溫度的作用，電源內(nèi)的溫度不能維持穩(wěn)定，或者是風(fēng)機(jī)電路發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)不可以正常運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電源供電時(shí)溫度過(guò)高而損害電源。所以，為了避免此類(lèi)事情的發(fā)生，就必須要應(yīng)用超高溫保護(hù)電路(OTP)。超高溫保護(hù)電路(OTP)的主要功能是當(dāng)NTC 減小到一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而使OTP 輸出較低，這樣就達(dá)到了保護(hù)電源的目的。

8 結(jié)語(yǔ)

電源有各種各樣的應(yīng)用場(chǎng)合，要選擇與之相應(yīng)的保護(hù)策略才可以提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。以本文列舉的各種保護(hù)電路的開(kāi)關(guān)電源為例，從原理和實(shí)驗(yàn)兩方面深入分析了恒功率控制和恒流控制的過(guò)載保護(hù)電路，為過(guò)電流電源的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的見(jiàn)解。