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非常经典 开关电源“各类保护电路”实例详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-06-01 

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【非常经典】开关电源"各类保护电路"实例详解

保护电路

鉴于电源电路存在一些不稳定因素,而设计用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。


保护电路的类型

电力电子开关器件在选用时要留有一定的裕度,确保器件的安全可靠使用。同时还必须有保护电路,防止故障发生造成器件损坏。保护电路主要包括过流保护,过压保护及过热保护。


过流保护

过流保护通过在电路中串联快速熔断器实现,适用于晶闸管和GTO,因为它们有较高的浪涌电流承受能力。对于MOSFET、GTR、IGBT,由于它们承受过流能力很低,因而必须有专门的过流保护电路,并要求过流保护电路在瞬间完成过流检测、信号传送,保护动作,在微秒级时间内将电流限定在过载能力以内。目前常用的方法有:监控法,霍耳电流传感器保护法。


过压保护

多种原因会导致电力电子电路产生过电压,如开关器件的关断、电源开关的合断等。由于电路中的寄生电感的存在,各种原因导致的电流突变就会产生电压尖峰,从而造成过电压。压敏元件是实现过压保护的主要方法,主要包括压敏电阻和抗雷击瞬态电压抑制器。当端电压超过某一值时,压敏电阻就会急剧减小,从而将瞬态过电压抑制。


过热保护

电力电子开关器件在工作时自身会消耗功率,如导通损耗、开关损耗等,这些损耗转换为热量,会使器件的结温升高,导致器件工作不正常,甚至导致器件损坏。因此,在器件工作时,必须及时将产生的热量散发出去,保证器件温度在一个合适的范围内,这就是散热设计的主要内容,它是电力电子电路设计的一个重要部分。


输入欠压保护电路
输入欠压保护电路一

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

该电路属于输入欠压电路,当输入电压低于保护电压时拉低控制芯片的供电Vcc,从而关闭输出。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

当电源输入电压低于欠压保护设定点时,A点电压高于U4的Vref,U4导通,B点电压为低电平,Q4导通,Vcc供电正常;当输入电压低于保护电压时,A点电压低于U4的Vref,U4截止,B点电压为高电平,Q4截止,从而Vcc没有电压,此时Vref也为低电平,当输入电压逐渐升高时,A点电压也逐渐升高,当高于U4的Vref,模块又正常工作。R4可以设定欠压保护点的回差。


4、电路的优缺点

该电路的优点:电路简单,保护点精确

缺点:成本较高。


5、应用的注意事项:

使用时注意R1,R2的取值,有时候需要两个电阻并联才能得到需要的保护点。还需要注意R1,R2的温度系数,否则高低温时,欠压保护点相差较大。


输入欠压保护电路二

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时,关闭输出;当输入电压升高到设定恢复值时,输出自动恢复正常。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输入电压在正常工作范围内时, Va大于VD4的稳压值,VT4导通,Vb为0电位,VT5截止, 此时保护电路不起作用;当输入电压低于设定欠压值时,Va小于VD4的稳压值,VT4截止,Vb为高电位,VT5导通,将COMP(芯片的1脚)拉到0电位,芯片关闭输出,从而实现了欠压保护功能。    R21、VT6、R23组成欠压关断、恢复时的回差电路。当欠压关断时,VT6导通,将R21与R2并联,开关电源,输入,保护电路恢复时,VT6截止,开关电源,输入,保护电路回差电压即为(Vin’-Vin)。


4、电路的优缺点

优点:电路形式简单,成本较低。

缺点:因稳压管VD4批次间稳压值的差异,导致欠压保护点上下浮动,大批量生产时需经常调试相关参数。


5、应用的注意事项:

VD4应该选温度系数较好的稳压管,需调试的元件如R2应考虑多个并联以方便调试。


输出过压保护电路
输出过压保护电路一

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障(开环或其他)导致输出电压高于稳压值时,此电路会将输出电压钳位在设定值。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输出过压时,加在VD3上的电压大于其稳压值时,VD3导通,输出电压被钳位,同时通过IC4向原边反馈。


4、电路的优缺点

优点:电路形式简单,成本较低。

缺点:因稳压管VD3批次间稳压值的差异,导致过压钳位点上下浮动,大批量生产时需经常调试相关参数。


5、应用的注意事项:

VD3应该选温度系数较好的稳压管,需调试的元件如R32应考虑多个并联以方便调试。

当过压保护电路起作用时,电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路,过压保护点应大于输出电压上调最大值。


输出过压保护电路二

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障(开环或其他)导致输出电压高于正常值时,此电路会将输出电压稳定在设定值。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输出过压时,Va>Vref,IC3导通,通过IC4向原边反馈,输出电压稳定在设定的过压保护值。


4、电路的优缺点

优点:输出过压保护值可以精确设置。

缺点:相对稳压管钳位方式成本稍高一些。


5、应用的注意事项:

当过压保护电路起作用时,电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路,过压保护点应大于输出电压上调最大值。


过压保护自锁控制电路

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

在电源系统中,当反馈回路失效时,输出电压不受控,电压升高超出规定范围,此时过高的输出电压有可能造成后续电器设备的损坏。为解决这问题,通常在电源中增加过压保护电路。过压保护的方式一般有三种。


A、钳位型:当反馈失效时,通过过压钳位电路将输出电压钳位在一个定值。


B、间歇保护型:当反馈失效时,通过保护电路使输出电压来回重启,输出电压的最高点为过压保护点。


C、自锁型:当输出电压达到过压保护点时,电路动作,关闭PWM使模块无输出。在排除故障后再重启电源输出才正常供电。下述电路为自锁型控制电路。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

上图中为隔离的自锁型控制电路。当过压保护信号CONTROL端给出一个高电平时,U1中的三极管导通,VCC为整个电路的供电端。Vcc经R5给Q2一个基极电流,Q1导通并进入饱和状态,SHUT端被Q2拉至低电平,PWM关闭电源无输出。Q2同时控制Q1的导通。当 Q2导通时,Q1的基极电流经R2到地,Q1导通,经R3再提供一个基极电流给Q2,维持Q2的导通。Q1及R1、R2、R3构成了Q2的正反馈电路。


4、电路的优缺点

优点:可有效的进行自锁保护,整个电路等效于一个可控硅。

缺点:整个电路需要一个固定的Vcc。当PWM电源端无供电时,也需保证上图中VCC电压的存在。


5、应用的注意事项:

1. 此电路要有持续的供电自锁才有效。

2. 此电路不宜使用在无人值守的电源系统里。


过温保护电路

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

该电路属于过温保护电路,但温度高于设定的保护点时,关闭模块输出,当温度恢复后自动开启模块。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

稳压管给U103MAX6501提供5V电压,温度正常时,U103的五脚输出高电平,当温度超过保护点时U103的五脚输出低电平,当温度恢复后,U103的五脚输出高电平。


4、电路的优缺点

该电路的优点:电路简单,精确度高。

缺点:成本较高。


5、应用的注意事项:

5.1  MAX6501的3脚和1脚相连时,回差温度是10℃,当其3脚和地相连时,回差温度是2℃。

5.2  MAX6501的供电电压不能超过7V,否则会损坏。

5.3  MAX6501一定要放置在最热部分的附近。


过温保护电路-热敏电阻

1、概述(电路类别、实现主要功能描述):

本电路采用热敏电阻检测基板温度,热敏电阻阻值随基板温度变化而变化, 热敏电阻阻值的变化导致运放输入电压变化,从而实现运放的翻转控制PWM芯片的输出,进而将模块关闭。


2、电路组成(原理图):

开关电源,输入,保护电路


3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理,关键参数计算分析):

R99热敏电阻是负温度系数热敏电阻,常温时,R99=100k,R99与R94的分压0.45V为U2运放的负输入,远低于运放的正输入2.5V(R23与R97分压),因此运放的输出是高电平,对LM5025的SS端无影响,模块正常工作。


随着基板温度升高,R99电阻阻值减小,当减小到一定值时,使得运放的负输入大于正输入时,运放输出低电平,将LM5025的SS拉低,从而关闭模块输出;温度保护点可以适当调整R94,R23,R97的阻值而相应地调整。


模块关闭输出后(过温保护),基板温度会降低,R99阻值会增大,运放的负输入会降低,为使运放的正常翻转,引入电阻R98,原理是运放输出低后,R98相当于与R97并联,将运放的基准变低,拉开运放正负输入的电压间距,从而实现温度回差。比如基板温度90℃时保护,80℃时开启。


4、关键参数计算分析

4.1  运放正输入电压:VR97=Vref2=5/(1+R23/R97)=5/(1+10/10)=2.5V

4.2  运放负输入电压VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94)+0.007,

4.3  得出温度保护时热敏电阻的阻值:R99(t)=(Vref*R24/(Vref*R97/(R23+R97)-0.007))-R94

4.4  考虑容差时的计算见下表:

开关电源,输入,保护电路

开关电源,输入,保护电路

温度回差=82.6-77.3=5.3℃


5、电路的优缺点

优点:   温度保护点及温度回差很容进行调整

缺点: 温度准确度偏低

电路比采用温度开关略复杂

温度保护时反映的是热敏电阻附近的基板温度,不能反映模块的最高器件的温度,不过这可以在设计时解决,比如基板温度在90℃保护,实际板上器件最高温度已达130℃,就可以适当调整温度保护点,从而起到保护作用。


6、应用的注意事项

尽量将热敏电阻放置在发热器件附近。


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