開關(guān)電源中幾個常用的保護電路

鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護電路。在各類電子產(chǎn)品中，保護電路比比皆是，例如：過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等等，本文就整理了一些常見的保護電路。

1、電機過熱保護電路

生產(chǎn)中所用的自動車床、電熱烘箱、球磨機等連續(xù)運轉(zhuǎn)的機電設(shè)備，以及其它無人值守的設(shè)備， 因為電機過熱或溫控器失靈造成的事故時有發(fā)生，需要采取相應(yīng)的保安措施。PTC熱敏電阻過熱保護電路能夠方便、有效地預(yù)防上述事故的發(fā)生 。

下圖是以電機過熱保護為例，由PTC熱敏電阻和施密特電路構(gòu)成的控制電路。圖中，RT1、RT2、RT3為三只特性一致的階躍型PTC熱敏電阻器，它們分別埋設(shè)在電機定子的繞組里。?正常情況下，PTC熱敏電阻器處于常溫狀態(tài)，它們的總電阻值小于1KΩ。此時，V1截止，V2導(dǎo)通，繼電器K得電吸合常開觸點，電機由市電供電運轉(zhuǎn)。
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當電機因故障局部過熱時，只要有一只PTC熱敏電阻受熱超過預(yù)設(shè)溫度時，其阻值就會超過10KΩ以上。?于是V1導(dǎo)通、V2截止，VD2顯示紅色報警，K失電釋放，電機停止運轉(zhuǎn)，達到保護目的。

PTC熱敏電阻的選型取決于電機的絕緣等級。通常按比電機絕緣等級相對應(yīng)的極限溫度低40℃左右的范圍選擇PTC熱敏電阻的居里溫度。例如，對于B1級絕緣的電機，其極限溫度為130℃，應(yīng)當選居里溫度90℃的PTC熱敏電阻。

2、逆變電源中的保護電路

逆變器經(jīng)常需要進行電流轉(zhuǎn)換,如果電路中的電流超出限定范圍，將對電路和關(guān)鍵器件造成很大傷害，因此保護電路在逆變電源中就顯得尤為重要。

（1）防反接保護電路

如果逆變器沒有防反接電路，在輸入電池接反的情況下往往會造成災(zāi)難性的后果，輕則燒毀保險絲，重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護電路主要有三種：反并肖特基二極管組成的防反接保護電路，如下圖所示。

由圖可以看出，當電池接反時，肖特基二極管D導(dǎo)通，F(xiàn)被燒毀。如果后面是推挽結(jié)構(gòu)的主變換電路，兩推挽開關(guān)MOS管的寄生二極管的也相當于和D并聯(lián)，但壓降比肖特基大得多，耐瞬間電流的沖擊能力也低于肖特基二極管D，這樣就避免了大電流通過MOS管的寄生二極管，從而保護了兩推挽開關(guān)MOS管。?

這種防反接保護電路結(jié)構(gòu)簡單，不會影響效率，但保護后會燒毀保險絲F，需要重新更換才能恢復(fù)正常工作。?

采用繼電器的防反接保護電路，基本電路如下：

由圖中可以看出，如果電池接反，D反偏，繼電器K的線圈沒有電流通過，觸點不能吸合，逆變器供電被切斷。這種防反接保護電路效果比較好，不會燒毀保險絲F，但體積比較大，繼電器的觸點的壽命有限。?

采用MOS管的防反接保護電路，基本電路如下所示：

圖中D為防反接MOS的寄生二極管，便于分析原理畫出來了。當電池極性未接反時，D正偏導(dǎo)通，Q的GS極由電池正極經(jīng)過F、R1、D回到電池負極得到正偏而導(dǎo)通。Q導(dǎo)通后的壓降比D的壓降小得多，所以Q導(dǎo)通后會使D得不到足夠的正向電壓而截至;?

當電池極性接反時，D會由于反偏而截至，Q也會由于GS反偏而截至，逆變器不能啟動。這種防反接保護電路由于沒有采用機械觸點開關(guān)而具有比較長的使用壽命，也不會像反并肖特基二極管組成的防反接保護電路那樣燒毀保險絲F.因而得到廣泛應(yīng)用，缺點是MOS導(dǎo)通時具有一定的損耗。足夠暢通無阻地通過比較大的電流還保持比較低的損耗。?

（2）電池欠壓保護

為了防止電池過度放電而損壞電池，我們需要讓電池在電壓放電到一定電壓的時候逆變器停止工作，需要指出的一點是，電池欠壓保護太靈敏的話會在啟動沖擊性負載時保護。這樣逆變器就難以起動這類負載了，尤其在電池電量不是很充足的情況下。請看下面的電池欠壓保護電路。?

可以看出這個電路由于加入了D1、C1能夠使電池取樣電壓快速建立，延時保護。

3、鋰電池充電保護電路

鋰電池過充，過放電都會影響電池的壽命。在設(shè)計時，要注意鋰電池的充電電壓，充電電流。然后選取合適的充電芯片。注意要防止鋰電池的過充，過放，短路保護等問題。同時，設(shè)計完成后要經(jīng)過大量的測試。

（1）鋰電池充電電路的設(shè)計

這里選擇了芯片TP4056為例子。根據(jù)所接電阻不同可以控制充電最大電流。可以設(shè)計充電指示燈，可以設(shè)計充電溫度即多少到多少度之間進行充電。

（2）充電保護電路

選擇芯片DW01 和GTT8205的組合，可以做到短路保護，過充過放電的保護。

4、開關(guān)電源中的過流保護電路

（1）開關(guān)電源中常用的過流保護方式

過電流保護有多種形式，如圖1所示，可分為額定電流下垂型，即フ字型；恒流型；恒功率型，多數(shù)為電流下垂型。過電流的設(shè)定值通常為額定電流的110％～130％。一般為自動恢復(fù)型。

圖1中①表示電流下垂型，②表示恒流型，③表示恒功率型。

▲?圖1:過電流保護特性?

（2）用于變壓器初級直接驅(qū)動電路中的限流電路

在變壓器初級直接驅(qū)動的電路（如單端正激式變換器或反激式變換器）的設(shè)計中，實現(xiàn)限流是比較容易的。圖2是在這樣的電路中實現(xiàn)限流的兩種方法。

圖2電路可用于單端正激式變換器和反激式變換器。圖2（a）與圖2（b）中在MOSFET的源極均串入一個限流電阻Rsc，在圖2（a）中， Rsc提供一個電壓降驅(qū)動晶體管S2導(dǎo)通，在圖2（b）中跨接在Rsc上的限流電壓比較器，當產(chǎn)生過流時，可以把驅(qū)動電流脈沖短路，起到保護作用。

圖2（a）與圖2（b）相比，圖2（b）保護電路反應(yīng)速度更快及準確。首先，它把比較放大器的限流驅(qū)動的門檻電壓預(yù)置在一個比晶體管的門檻電壓Vbe更 精確的范圍內(nèi)；第二，它把所預(yù)置的門檻電壓取得足夠小，其典型值只有100mV～200mV，因此，可以把限流取樣電阻Rsc的值取得較小，這樣就減小了 功耗，提高了電源的效率。

（a）晶體管保護

（b）限流比較器保護

▲圖2:在單端正激式或反激式變換器電路中的限流電路

當AC輸入電壓在90～264V范圍內(nèi)變化，且輸出同等功率時，則變壓器初級的尖峰電流相差很大，導(dǎo)致高、低端過流保護點嚴重漂移，不利于過流點的一致 性。在電路中增加一個取自＋VH的上拉電阻R1，其目的是使S2的基極或限流比較器的同相端有一個預(yù)值，以達到高低端的過流保護點盡量一致。

（3）用于基極驅(qū)動電路的限流電路

在一般情況下，都是利用基極驅(qū)動電路把電源的控制電路和開關(guān)晶體管隔離開來。變換器的輸出部分和控制電路共地。限流電路可以直接和輸出電路相接，其電路如圖3所示。在圖3中，控制電路與輸出電路共地。工作原理如下：

▲?圖3:用于多種電源變換器中的限流電路

電路正常工作時，負載電流IL流過電阻Rsc產(chǎn)生的壓降不足以使S1導(dǎo)通，由于S1在截止時IC1=0， 電容器C1處于未充電狀態(tài)，因此晶體管S2也截止。如果負載側(cè)電流增加，使IL達到一個設(shè)定的值，使得ILRsc=Vbe1＋Ib1R1，則S1導(dǎo)通，使 電容器C1充電，其充電時間常數(shù)τ= R2C1，C1上充滿電荷后的電壓是VC1=Ib2R4＋Vbe2。在電路檢測到有過流發(fā)生時，為使電容器C1能夠快速放電，應(yīng)當選擇R4

（4）無功率損耗的限流電路

上述兩種過流保護比較有效，但是Rsc的存在降低了電源的效率，尤其是在大電流輸出的情況下，Rsc上的功耗就會明顯增加。圖4電路利用電流互感器作為檢測元件，就為電源效率的提高創(chuàng)造了一定的條件。

圖4電路工作原理如下：利用電流互感器T2監(jiān)視負載電流IL，IL在通過互感器初級時，把電流的變化耦合到次級，在電阻R1上產(chǎn)生壓降。二極管D3對脈 沖電流進行整流，經(jīng)整流后由電阻R2和電容C1進行平滑濾波。當發(fā)生過載現(xiàn)象時，電容器C1兩端電壓迅速增加，使齊納管D4導(dǎo)通，驅(qū)動晶體管 S1導(dǎo)通，S1集電極的信號可以用來作為電源變換器調(diào)節(jié)電路的驅(qū)動信號。

▲?圖4:無功耗限流電路

電流互感器可以用鐵氧體磁芯或MPP環(huán)型磁芯來繞制，但要經(jīng)過反復(fù)實驗，以確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應(yīng)該達到匝數(shù)比是電流比。通?；ジ衅鞯腘p=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3）。具體繞制數(shù)據(jù)最后還要經(jīng)過實驗調(diào)整，使其性能達到最佳狀態(tài)。

（5）用555做限流電路

圖5為555集成時基電路的基本框圖。

▲?圖5:555集成時基電路的基本框圖

555集成時基電路是一種新穎的、多用途的模擬集成電路，有LM555，RCA555，5G1555等，其基本性能都是相同的，用它組成的延時電路、單穩(wěn)態(tài)振蕩器、多諧振蕩器及各種脈沖調(diào)制電路，用途十分廣泛，也可用于直接變換器的控制電路。

555時基電路由分壓器R1、R2、R3，兩個比較器，R-S觸發(fā)器以及兩個晶體管等組成，電路在5～18V范圍內(nèi)均能工作。分壓器提供偏壓給比較器1 的反相輸入端，電壓為2Vcc/3，提供給比較器2的同相輸入端電壓為Vcc/3，比較器的另兩個輸入端腳2、腳6分別為觸發(fā)和門限，比較器輸出控制R- S觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出供給輸出級以及晶體管V1的基極。當觸發(fā)器輸出置高時，V1導(dǎo)通，接通腳7的放電電路；當觸發(fā)器輸出為低時，V1截止，輸出級提供一 個低的輸出阻抗，并且將觸發(fā)器輸出脈沖反相。當觸發(fā)器輸出置高時，腳3輸出的電壓為低電平，觸發(fā)器輸出為低時，腳3輸出的電壓為高電平。輸出級能夠提供的 最大電流為200mA，晶體管V2是PNP管，它的發(fā)射極接內(nèi)部基準電壓Vr，Vr的取值總是小于電源電壓Vcc，因此，若將V2的基極（腳4 復(fù)位）接到Vcc上，V2的基—射極為反偏，晶體管V2截止。

圖6為用555做限流保護的電路，其工作原理如下：UC384X與S1及T1組成一個基本的PWM變換器電路。UC384X系列控制IC有兩個閉環(huán)控制回路，一個是輸出電壓Vo反饋至誤差放大器，用于同基準電壓Vref比較之后產(chǎn)生誤差電壓（為了防止誤差放大器的自激現(xiàn)象產(chǎn)生，直接把腳2對地短接）；另一個是變壓器初級電感中的電流在T2次級檢測到的電流值在R8及C7上的電壓，與誤差電壓進行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖的脈沖信號。當然，這些均在時鐘所設(shè)定的固定頻率下工作。UC384X具有良好的線性調(diào)整率，能達到0.01％/V；可明顯地改善負載調(diào)整率；使誤差放大器的外電路補償網(wǎng)絡(luò)得 到簡化，穩(wěn)定度提高并改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積。UC384X有兩種關(guān)閉技術(shù)；一是將腳3電壓升高超過1V，引起過流保護開關(guān)關(guān)閉電路輸出；二 是將腳1 電壓降到1V以下，使PWM比較器輸出高電平，PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出，直到下一個時鐘脈沖的到來，將PWM鎖存器置位，電路才能重新啟動。電流互感 器T2監(jiān)視著T1的尖峰電流值，當發(fā)生過載時，T1的尖峰電流迅速上升，使T2的次級電流上升，經(jīng)D1整流，R9及C7平滑濾波，送到IC1的腳3，使 IC1的腳1電平下降（注意：接IC1腳1的R3，C4必須接成開環(huán)模式，如接成閉環(huán)模式則過流時555的腳7放電端無法放電）。IC1的腳1與IC2的 腳6相連接，使IC2的比較器1同相輸入端的電壓降低，觸發(fā)器Q輸出高電平，V1導(dǎo)通，IC2的腳7放電，使IC1的腳1電平被拉低于1V，則IC1輸出 關(guān)閉，S1因無柵極驅(qū)動信號而關(guān)閉，使電路得到保護。若過流不消除，則重復(fù)上述過程，IC1重新進入啟動、關(guān)閉、再啟動、再關(guān)閉的循環(huán)狀態(tài)，即“打嗝”現(xiàn) 象。而且，過負載期間，重復(fù)進行著啟振與停振，但停振時間長，啟振時間短，因此電源不會過熱，這種過負載保護稱為周期保護方式（當輸入端輸入電壓變化范圍 較大時，仍可使高、低端的過流保護點基本相同）。其振蕩周期由555單穩(wěn)多諧振蕩器的RC時間常數(shù)τ決定，本例中τ=R1C1，直到過載現(xiàn)象消失，電路才 可恢復(fù)正常工作。電流互感器T2的選擇同1.3的互感器計算方法。

▲?圖6:用555做限流保護電路

圖6電路，可以用在單端反激式或單端正激式變換器中，也可用在半橋式、全橋式或推挽式電路中，只要IC1有反饋控制端及基準電壓端即可，當發(fā)生過流現(xiàn)象時，用555電路的單穩(wěn)態(tài)特性使電路工作在“打嗝”狀態(tài)下。

（6）幾種過流保護方式的比較　　

幾種過流保護方式的比較如下表所示。

編輯：黃飛

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