对于开关电源而言, 安全、可靠性历来被视为重要的性能之一. 开关电源在电气技术指标满足电子设备正常使用要求的条件下, 还要满足外界或自身电路或负载电路出现故障的情况下也能安全可靠地工作. 为此, 须有多种保护措施. 对保护电路的特点分析, 对存在不足期待克服, 希望设计出更安全、更可靠的保护电路。

1 浪涌电流电路剖析

浪涌电流是由于电压突变所引起. 如电子设备在第一次加电压时, 由于大容量电源电容器充电引起的涌入初始电流 开机浪涌电流; 又如直击雷、感应雷沿着电源线进入开关电源的突变电压所产生瞬态电流雷浪涌电流. 浪涌电流上升时间非常快, 持续时间非常短, 破坏作用非常大. 为防止或减轻浪涌电流的破坏, 设置抑制浪涌电流或将浪涌电流转移到地线等方式来保护开关电源避免浪涌电流的损害。

1. 1 启动限流保护

开关电源的初级整流电路有大容量滤波电容,开机瞬间整流管向这些大电容充电, 使整流管瞬时电流超过额定值. 为减小开机启动限流( 浪涌电流) ,开关电源通常都设有抗冲击电路. 如图1 电路, 在开机瞬间, 开关电源变压器的3、4 绕组电压为0V, VD5截止, 晶闸管VD6 的G、K 极间电压为0V, VD6 截止.充电电流路径: AC220V→VD1- 4 正极→大电容C1→地→R2→VD1- 4 负极. 由于R2 有阻碍大电流作用( 一般设为3. 3Ω) , 因此能有效限制开机浪涌电流。

开关电源正常工作后, 开关电源变压器的1、2绕组上产生感应电压, 对C2 充电( 充电时间常数约等于R3×C2) , 使VD6 导通, 整流电流不再经R2, 而是经VD6 的A、K 极返回整流桥VD1- 4 的负极. 也就是说, 在正常工作状态, VD6 将R2 短路, 防止R2产生功耗.R2 仅在开机瞬间起作用。

用晶闸管作启动限流保护安全可靠, 但电路比较复杂些, 从电路成本和电路简捷等角度来说用温控电阻作启动限流保护, 它既经济又简单更安全可靠, 如图3。

1. 2 雷浪涌电流保护

电网输电线受到雷击或感应雷时, 输电线中的感应突变电压会产生浪涌电流. 为防范雷浪涌电压和电流冲击, 常在电源的输入端并联一个或几个压敏电阻来释放雷浪涌电流的冲击. 图2 电路是用压敏电阻来防范雷浪涌电流, 压敏电阻Rv 常状态下呈高阻抗( 近似开路) , 当电网输电线遇到雷击或感应雷, 压敏电阻Rv 两端瞬间超过它的启动电压, 它将立即由高阻抗变为低阻抗( 近似短路) , 使雷浪涌电流释放, 同时交流保险丝F 熔断, 起到防输电线被雷击或感应雷而损坏电子设备的目的。

1. 3 实际电路分析及仿真测试

图3 电路是一个典型的实际开关电源部分电路

防雷单元: 当有雷击, 产生高压经电网导入电源时, 由Rv1、Rv2、Rv3、F1、F2、F3 和FDG 组成的电路进行保护. 当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时, 其阻值降低, 使高压能量被压敏电阻所消耗, 若电流过大, F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。

防开机浪涌单元: 当电源开启瞬间, 要对C 充电, 由于瞬间电流大, 其能量全消耗在温控电阻Rt上, 由于Rt 的特性是随温度上升电阻呈指数关系减小( Rt 为负温系数元件) , 瞬间温度升高后Rt 阻值减小( 呈低阻抗) , 这时它消耗的能量非常小, 后级电路可正常工作. 温控电阻Rt 由高阻抗变为低阻抗, 有效地防止浪涌电流。

模拟实验: 用雷击浪涌电流发生器模拟保护电路加入前后的实验测试波形如图4 和开机浪涌电流测试波形如图5. 模拟实验表明, 浪涌电流的共同点是作用时间短( 几至几十纳秒) , 冲击电流大( 雷击浪涌电流可达几十至几千安培, 开机浪涌电流超过工作电流的数十倍以上) , 加入保护电路后尖峰被削去。

2 过流保护电路剖析

众所周知, 当电源输出端超过额定负载或短路或控制电路失去控制能力等意外情况时, 会造成电子设备不能正常工作或对电子设备造成损坏等. 过流保护电路有断路法、振荡器调频法。

2. 1 断路法过流保护

防范电路中的电流过流, 最经济简便的方法是用保险丝. 保险丝熔断保护分为交流保险和直流保险二类. 当负载电流发生意外其电流超过保险丝的熔断值( 熔断系数一般在1. 1~ 1. 5 之间) 时, 保险丝熔断, 达到过流保护目的. 但在开机瞬间, 由于大电容的充电, 会产生很大的浪涌电流, 这个浪涌电流一般为正常输入电流的数倍, 容易使保险丝熔断, 而发生错误判断, 这是它的主要缺陷。

2. 2 振荡器调频法过流保护

所谓调频法就是通过检测比较放大电路产生一个控制信号使振荡器的振荡频率发生变化, 使负载电压降低, 从而达到负载电流减小目的. 通常过电流保护设定值为额定电流的110% ~ 130% , 能自动恢复。

在互感器的耦合下, 若输出端有过载或短路情况发生时, 此时初级电流会很快的增加, 检测电阻RS( 锰铜丝) 上的电压VRS 就会增大. 在图6( A) 此电压VRS 超过V2 的B- E 导通电压,V2 导通, 由于V2 集电极接的是振荡电路的控制端, 使振荡电路的振荡减缓或停止振荡. 在图6( B)VRS 经电压比较器后输出一个控制信号到振荡电路, 调节振荡频率, 使输出电压降低, 减小负载电流, 达到保护的目的。

图6( B) 与图6(A) 的过流保护精度要高, 因( B) 电路设计了误差比较和误差放大电路。