專注解決直流電源方案

　　直流開關穩（wěn）壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控製（zhì）電路亦比較複雜,另外,開關穩壓器的負載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子係統。晶體管和集成（chéng）器件耐受電、熱衝擊的能力較差（chà）。因而開關（guān）穩壓器的保護應（yīng）該兼顧穩壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多（duō）,這裏介紹極性保護（hù）、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電（diàn）壓保護（hù）以及（jí）過熱保護（hù）等電路。通常選（xuǎn）用（yòng）幾種保護（hù）方式加以組合（hé）,構成完善的保護係統。

　　一、極性保護

　　直流開關穩（wěn）壓器的輸入一（yī）般都是未穩壓直流電源。由於操作失誤或者（zhě）意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電（diàn）源（yuán）。極性保護的目（mù）的,就是使開關穩壓（yā）器僅（jǐn）當以正確的極性接上未穩壓直流電源時（shí）才能工作。利用單向（xiàng）導通的（de）器件可以（yǐ）實現電源的極性（xìng）保護。由於二極管D要流過（guò）開關穩壓器（qì）的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在較（jiào）大功率的場（chǎng）合,則把極性保護電（diàn）路作為程（chéng）序保護中的一個環節,可以省去極性保（bǎo）護所（suǒ）需的大功率二（èr）極管,功耗也將減小。為了操作方便,便於識別極性正確與否,在圖1中的二極管之後,接指示燈。

　　二、程序保護

　　開關穩壓電（diàn）源的電路比較複雜,基本上（shàng）可以分（fèn）為小功率的控製部分和大功率的開（kāi）關部分。開關晶體管則屬（shǔ）大功率，為保護開關晶體管在開啟或關（guān）斷電（diàn）源時的（de）安全,必須先讓調製器、放大器等小功率的控製電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關穩壓器（qì）的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機瞬間,濾波電容器會流過很大的浪湧（yǒng）電流（liú）,這個浪湧電流可以為正常輸入電（diàn）流的數倍。這樣（yàng）大的浪湧電流會使普通電（diàn）源開關的觸點（diǎn）或繼電器的觸點熔化,並使輸（shū）入保險絲熔斷。另外,浪湧電流也會損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機時應該接入一個限流電阻,通過這個限（xiàn）流電阻來對電容器充電。為（wéi）了不使該限流（liú）電阻消耗過（guò）多（duō）的功率，以致影響開關穩壓（yā）器的正常工作,而在開（kāi）機暫態過程結（jié）束後，用一個繼電器自動短接它,使（shǐ）直流電源直接（jiē）對開關穩壓器供電（diàn），如圖2所示。這種電路稱之謂開關穩壓器的“軟啟動”電（diàn）路。

　　開關穩壓器的控（kòng）製電路中的（de）邏輯（jí）組件或者運算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必（bì）須先於開關電路工作。這可用開機程序控製電路來保證。一般的開機程序是:輸入電（diàn）源的極性鑒別,電壓保護→開機（jī）程序電路工作→輔助電源工作並通過限流電阻R對開（kāi）關穩壓器的輸入電容（róng）器C充電→開關穩壓器的調製電路工（gōng）作，短路限流（liú）電阻→開關穩壓器穩定工作（zuò）。

　　在開關穩壓器中,剛開機時,因為其輸出電容容量（liàng）大,充到額（é）定輸（shū）出電壓（yā）值需要一定時間（jiān）。在這段時間內（nèi）,取樣放大器輸入（rù）低的輸出電壓采樣,根據係統閉環調（diào）節特性將迫使開關三（sān）極管的導通時間加長（zhǎng）,這樣一來,開關三極（jí）管就會在（zài）這段期間內趨於連續導通（tōng）,而（ér）容易損壞。為（wéi）此,要求在開機這一段時間內,開關調製電路輸出給開關三極管基極的脈（mò）寬（kuān）調製驅動信號，能保證開關三極管由截止逐漸趨於正常的開關狀態，故而要加設開（kāi）機保護以（yǐ）配合軟啟動。

　　三、過（guò）電流保（bǎo）護

　　當出現負載短（duǎn）路、過（guò）載或者（zhě）控製電路失效等意外情況時,會引起流過穩壓器中開關三極管的（de）電（diàn）流（liú）過大，使管子功耗增（zēng）大,發熱,若沒有過流保護（hù）裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩壓器中過電流保護是常用的。最經濟簡便的方法是用保險絲。由於（yú）晶體管的熱容量小,普通保險絲一般（bān）不能起（qǐ）到保護作用（yòng）,常用的是（shì）快速熔斷保險絲。這種方法具有（yǒu）保護容易的優（yōu）點，但是,需要根據具體開關（guān）三（sān）極管（guǎn）的安全工作區要求來選擇保險絲的規格。這種過流（liú）保護措施的（de）缺點是帶來經常更換（huàn）保險絲的不（bú）便。

　　在線性穩壓器中（zhōng）常用的限流（liú）保護和電流截止保護在開關穩壓器中（zhōng）均能應用。但（dàn）是,根據開關穩壓器的特點,這種保護電（diàn）路的輸出不能直接（jiē）控製開關三極管,而必（bì）須（xū）使過電流保護（hù）的輸出轉換為脈衝指令,去控製調製器以保護開關三極管（guǎn）。為（wéi）了實現過電流保護（hù）一般均需（xū）要（yào）用取樣電阻（zǔ）串聯在電路中,這會影響電源的（de）效率,因此多用於小功率開（kāi）關穩壓器的場合。而在大功（gōng）率的開（kāi）關穩壓電源中,考慮到功耗（hào），應盡量避免取樣（yàng）電阻的接入。因此,通常將過電流保護轉換為過、欠電壓保護。

　　四、過電壓保護

　　開關穩壓器（qì）的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保（bǎo）護。開關穩壓器所（suǒ）使用的（de）未（wèi）穩壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電（diàn）壓如果過高,使開關穩壓器不能正常工（gōng）作（zuò）,甚至損壞內部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電（diàn）器所組成的保護電路（lù）如圖3所示。

　　在該電路中，當輸入直流電源的電壓高於（yú）穩壓二極管的擊穿電（diàn）壓值時（shí），穩壓管擊穿，有電流流（liú）過電阻R，使晶體管V導（dǎo）通，繼電器（qì）動作（zuò），常閉（bì）接點斷開（kāi），切斷輸入。其中穩壓管的穩（wěn）壓（yā）值Vz=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一（yī）起（qǐ）,構成極性保護鑒別與過電壓保護電路。

　　輸出過電壓保護在開關穩壓電源中是至關重要的。特別對輸出為5V的開關穩壓器來說,它的負載（zǎi）是大量的高集成度的邏輯（jí）器件。如果在工作時,開（kāi）關穩壓器的開關三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升（shēng）高到（dào）輸入未穩壓直流電源的電壓值,瞬時造成很（hěn）大的損失。常用的方法是晶閘管短路（lù）保護。最簡單的過電壓保護電路如圖（tú）4所（suǒ）示。

　　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（duǎn）路,造成過電流,通過保險絲或電路保護器將輸入（rù）切斷,保（bǎo）護（hù）了負（fù）載。這（zhè）種電路的響應時間相當於晶閘管的開通時間，約為5～10μs。它的（de）缺點是（shì）動作電壓（yā）是固定（dìng）的，溫度係數大，動作點不穩定。另外，穩壓管存（cún）在著參數的離散性，型號（hào）相（xiàng）同但過電（diàn）壓起動值卻各不（bú）相同，給（gěi）調試帶來了困難。圖5是改進後的（de）電路。其中R1、R2是取樣（yàng）電路，Vz是基準電壓。

　　輸出電壓Esc突然升高，晶體（tǐ）管V1、V2導通，晶閘管就導通。基準電壓Vz由（yóu）式

　　來確定，UBE1為V1的發射結（BE）電壓降（jiàng）。本電路的動作電壓可變，並且動作點相當穩定。當穩壓管（guǎn）為7V時，其溫度（dù）係數和晶體管V1的發射結（BE）電壓的（de）溫度係數可以抵消，能使溫度係數降（jiàng）得（dé）很（hěn）低。但是對於輸出為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。那麽（me）穩壓管電壓必在（zài）3.5V以下，此（cǐ）電壓附近的穩壓管的溫度變化係數是－20～－30mV/℃。因（yīn）此,溫度變化大的場合保（bǎo）護電路還（hái）會發生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關（guān）穩壓器的輸出（chū）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（guò）電壓（yā）保護電路，這種（zhǒng）電路既靈敏（mǐn）又穩定。

　　五、欠電壓保護

　　輸出電壓低於規定值時，反映了輸入（rù）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（kāi）關穩壓（yā）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（bǎo）護。簡單的欠（qiàn）電壓保護（hù）如圖6所示。

　　當未穩壓輸入的電壓值正常時，穩壓管ZD擊（jī）穿，晶體管（guǎn）V導通，繼電（diàn）器動作，觸（chù）點吸合，開關穩壓（yā）器加電。當輸入低於所允許的最低電壓（yā）值時，穩壓管ZD不通（tōng），V截止，觸點跳開，開關穩壓器不（bú）能工作（zuò）。

　　開關穩壓器內部，由（yóu）於控製（zhì）電路失常或者開關三極管失效會使輸出（chū）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（jiā）重要。實（shí）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。

　　正常時，比較器沒有（yǒu）輸出，一旦電壓（yā）跌落在允許值之（zhī）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製電路，使開關三（sān）極管截止或切斷輸入電（diàn）源。

　　六、過熱保護

　　開關穩（wěn）壓器的（de）高集成化和（hé）輕量小體積（jī），使（shǐ）其單位（wèi）體積內的功率密度大大提高（gāo），電源裝（zhuāng）置內（nèi）部的元器（qì）件對其工（gōng）作環境溫（wēn）度的要求也相應提高。否則，會（huì）使電路性能變（biàn）壞，元器（qì）件（jiàn）過早失效。因此在大功率開關（guān）穩壓器中應該設過熱保護。

　　采用溫（wēn）度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度，當（dāng）電源裝置內部產生過（guò）熱時，溫（wēn）度繼電器就動作，使整機告警電（diàn）路處於告警狀態，實現對（duì）電源的過熱保護。亦可將（jiāng）溫（wēn）度繼電器置於開關三極管的附近，一般大功率管（guǎn）允許的（de）最（zuì）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後繼（jì）電器就切斷電器，對開關管進行保護。