中心議題：

• 直流開關穩壓電源的保護技術

解決方案：

• 極性保護
• 程序保護
• 過電流保護
• 過電壓保護
• 欠電壓保護
• 過熱保護

1 引言　

直zhi流liu開kai關guan穩wen壓ya器qi中zhong所suo使shi用yong的de大da功gong率lv開kai關guan器qi件jian價jia格ge較jiao貴gui
，其qi控kong製zhi電dian路lu亦yi比bi較jiao複fu雜za，另ling外wai，開kai關guan穩wen壓ya器qi的de負fu載zai一yi般ban都dou是shi用yong大da量liang的de集ji成cheng化hua程cheng度du很hen高gao的de器qi件jian安an裝zhuang的de電dian子zi係xi統tong。晶jing體ti管guan和he集ji成cheng器qi件jian耐nai受shou電dian
、熱衝擊的能力較差。因而開關穩壓器的保護應該兼顧穩壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多
，這裏介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護
、欠電壓保護以及過熱保護等電路。通常選用幾種保護方式加以組合,構成完善的保護係統。

2 極性保護

直流開關穩壓器的輸入一般都是未穩壓直流電源。由於操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源。極性保護的目的,jiushishikaiguanwenyaqijindangyizhengquedejixingjieshangweiwenyazhiliudianyuanshicainenggongzuo。liyongdanxiangdaotongdeqijiankeyishixiandianyuandejixingbaohu。zuijiandandejixingbaohudianlurutu1所示。由於二極管D要流過開關穩壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環節,可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。

3 程序保護

開關穩壓電源的電路比較複雜,基本上可以分為小功率的控製部分和大功率的開關部分。開關晶體管則屬大功率，為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,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電流,這個浪湧電流可以為正常輸入電流的數倍。這樣大的浪湧電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,並使輸入保險絲熔斷。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,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率
，以致影響開關穩壓器的正常工作,而在開機暫態過程結束後，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩壓器供電

，如圖2所示。這種電路稱之謂開關穩壓器的“軟啟動”電路。

開關穩壓器的控製電路中的邏輯組件或者運算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先於 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 入電源的極性鑒別
，電壓保護→開機程 序電路工作→輔助電源工作並通過限流電阻 R對開關穩壓器的輸入電容器C充電→ 開關穩壓器的調製電路工作
，短路限流電阻→開關穩壓器 穩定工作。

在開關穩壓器中,剛開機時,因為其輸出電容容量大,充到額定輸出電壓值需要一定時間。在這段時間內,取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據係統閉環調節特性將迫使開關三極管的導通時間加長,這樣一來,開關三極管就會在這段期間內趨於連續導通,而容易損壞。為此，要求在開機這一段時間內,開(kai)關(guan)調(tiao)製(zhi)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)給(gei)開(kai)關(guan)三(san)極(ji)管(guan)基(ji)極(ji)的(de)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)，能(neng)保(bao)證(zheng)開(kai)關(guan)三(san)極(ji)管(guan)由(you)截(jie)止(zhi)逐(zhu)漸(jian)趨(qu)於(yu)正(zheng)常(chang)的(de)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)
，故(gu)而(er)要(yao)加(jia)設(she)開(kai)機(ji)保(bao)護(hu)以(yi)配(pei)合(he)軟(ruan)啟(qi)動(dong)。

4 過電流保護

當出現負載短路
、過載或者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電流過大
，使管子功耗增大,發熱,若ruo沒mei有you過guo流liu保bao護hu裝zhuang置zhi，大da功gong率lv開kai關guan三san極ji管guan就jiu有you可ke能neng損sun壞huai。故gu而er在zai開kai關guan穩wen壓ya器qi中zhong過guo電dian流liu保bao護hu是shi常chang用yong的de。最zui經jing濟ji簡jian便bian的de方fang法fa是shi用yong保bao險xian絲si。由you於yu晶jing體ti管guan的de熱re容rong量liang小xiao
，普pu通tong保bao險xian絲si一yi般ban不bu能neng起qi到dao保bao護hu作zuo用yong，常chang用yong的de是shi快kuai速su熔rong斷duan保bao險xian絲si。這zhe種zhong方fang法fa具ju有you保bao護hu容rong易yi的de優you點dian，但dan是shi,需要根據具體開關三極管的安全工作區要求來選擇保險絲的規格。這種過流保護措施的缺點是帶來經常更換保險絲的不便。
[page]
在線性穩壓器中常用的限流保護和電流截止保護在開關穩壓器中均能應用。但是,genjukaiguanwenyaqidetedian，zhezhongbaohudianludeshuchubunengzhijiekongzhikaiguansanjiguan，erbixushiguodianliubaohudeshuchuzhuanhuanweimaichongzhiling，qukongzhitiaozhiqiyibaohukaiguansanjiguan。weileshixianguodianliubaohuyibanjunxuyaoyongquyangdianzuchuanlianzaidianluzhong，zhehuiyingxiangdianyuandexiaolv，yinciduoyongyuxiaogonglvkaiguanwenyaqidechanghe。erzaidagonglvdekaiguanwenyadianyuanzhong，kaolvdaogonghao
，yingjinliangbimianquyangdianzudejieru。yinci
，tongchangjiangguodianliubaohuzhuanhuanweiguo、欠電壓保護。

5 過電壓保護

開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)過(guo)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)包(bao)括(kuo)輸(shu)入(ru)過(guo)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)和(he)輸(shu)出(chu)過(guo)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)。開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)未(wei)穩(wen)壓(ya)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)諸(zhu)如(ru)蓄(xu)電(dian)池(chi)和(he)整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)如(ru)果(guo)過(guo)高(gao),使開關穩壓器不能正常工作，甚至損壞內部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器組成的過電壓保護電路如圖3所示。

在該電路中，當輸入直流電源的電壓高於穩壓二極管的擊穿電壓值時，穩壓管擊穿，有電流流過電阻R， 使晶體管V導通

，繼電器動作，常閉接點斷開
，切斷輸入。其中穩 壓管的穩壓值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起,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de開kai關guan穩wen壓ya器qi來lai說shuo，它ta的de負fu載zai是shi大da量liang的de高gao集ji成cheng度du的de邏luo輯ji器qi件jian。如ru果guo在zai工gong作zuo時shi，開kai關guan穩wen壓ya器qi的de開kai關guan三san極ji管guan突tu然ran損sun壞huai

，輸shu出chu電dian位wei就jiu可ke能neng立li即ji升sheng高gao到dao輸shu入ru未wei穩wen壓ya直zhi流liu電dian源yuan的de電dian壓ya值zhi，瞬shun時shi造zao成cheng很hen大da的de損sun失shi。常chang用yong的de方fang法fa是shi晶jing閘zha管guan短duan路lu保bao護hu。最zui簡jian單dan的de過guo電dian壓ya保bao護hu電dian路lu如ru圖tu4所(suo)示(shi)。當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)高(gao)時(shi)，穩(wen)壓(ya)管(guan)被(bei)擊(ji)穿(chuan)，觸(chu)發(fa)晶(jing)閘(zha)管(guan)導(dao)通(tong)
，把(ba)輸(shu)出(chu)端(duan)短(duan)路(lu)，造(zao)成(cheng)過(guo)電(dian)流(liu)，通(tong)過(guo)保(bao)險(xian)絲(si)或(huo)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)器(qi)將(jiang)輸(shu)入(ru)切(qie)斷(duan)，保(bao)護(hu)了(le)負(fu)載(zai)。這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)相(xiang)當(dang)於(yu)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)開(kai)通(tong)時(shi)間(jian)，約(yue)為(wei)5～10μs。它ta的de缺que點dian是shi動dong作zuo電dian壓ya是shi固gu定ding的de，溫wen度du係xi數shu大da，動dong作zuo點dian不bu穩wen定ding。另ling外wai，穩wen壓ya管guan存cun在zai著zhe參can數shu的de離li散san性xing，型xing號hao相xiang同tong但dan過guo電dian壓ya起qi動dong值zhi卻que各ge不bu相xiang同tong，給gei調tiao試shi帶dai來lai了le困kun難nan。圖tu5是改進後的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。

輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導通，晶閘管就導通。基準電壓Vz由式

來確定，UBE1為V1的發射結（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變
，並且動作點相當穩定。當穩壓管為7V時，其溫度係數和晶體管V1的發射結（BE）電壓的溫度係數可以抵消，能使溫度係數降得很低。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。那麼穩壓管電壓必在3.5V以下
，此電壓附近的穩壓管的溫度變化係數是－20～－30mV/℃。因此,溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)大(da)的(de)場(chang)合(he)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)還(hai)會(hui)發(fa)生(sheng)誤(wu)動(dong)作(zuo)。采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)器(qi)來(lai)檢(jian)測(ce)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，是(shi)目(mu)前(qian)較(jiao)為(wei)常(chang)用(yong)的(de)方(fang)法(fa)，利(li)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)的(de)改(gai)變(bian)跟(gen)相(xiang)應(ying)的(de)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)配(pei)合(he)
，構(gou)成(cheng)過(guo)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)既(ji)靈(ling)敏(min)又(you)穩(wen)定(ding)。

6 欠電壓保護

輸出電壓低於規定值時，反映了輸入直流電源
、kaiguanwenyaqineibuhuozheshuchufuzaifashengleyichang。shuruzhiliudianyuandianyaxiajiangdaoguidingzhizhixiashi，huidaozhikaiguanwenyaqideshuchudianyadieluo
，shurudianliuzengda，jiweijikaiguansanjiguan，yeweijishurudianyuan。yinci
，yaosheqiandianyabaohu。jiandandeqiandianyabaohurutu6所示。

[page]

當未穩壓輸入的電壓值正常時
，穩壓管ZD擊穿

，晶體管V導通，繼電器動作，觸點吸合，開關穩壓器加電。當輸入低於所允許的最低電壓值時
，穩壓管ZD不通
，V截止，觸點跳開
，開關穩壓器不能工作。開關穩壓器內部，由於控製電路失常或者開關三極管失效會使輸出電壓下降
；fuzaifashengduanluyehuishishuchudianyaxiajiang。tebiezaishengyaxinghuofanxiangshengyaxingdezhiliukaiguanwenyaqizhongqiandianyadebaohushigenguodianliubaohujinmixiangguande，yinergengjiazhongyao。shixianfangfashizaikaiguanwenyaqideshuchuduanjiedianyabijiaoqi
，rutu7所示。

正常時
，比較器沒有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉，驅動告警電路
；同時反饋到開關穩壓器的控製電路，使開關三極管截止或切斷輸入電源。

7 過熱保護

開kai關guan穩wen壓ya器qi的de高gao集ji成cheng化hua和he輕qing量liang小xiao體ti積ji，使shi其qi單dan位wei體ti積ji內nei的de功gong率lv密mi度du大da大da提ti高gao，電dian源yuan裝zhuang置zhi內nei部bu的de元yuan器qi件jian對dui其qi工gong作zuo環huan境jing溫wen度du的de要yao求qiu也ye相xiang應ying提ti高gao。否fou則ze
，會hui使shi電dian路lu性xing能neng變bian壞huai，元yuan器qi件jian過guo早zao失shi效xiao。因yin此ci在zai大da功gong率lv開kai關guan穩wen壓ya器qi中zhong應ying該gai設she過guo熱re保bao護hu。

caiyongwendujidianqilaijiancedianyuanzhuangzhineibudewendu
，dangdianyuanzhuangzhineibuchanshengguoreshi
，wendujidianqijiudongzuo
，shizhengjigaojingdianluchuyugaojingzhuangtai
，shixianduidianyuandeguorebaohu。yikejiangwendujidianqizhiyukaiguansanjiguandefujin
，yibandagonglvguanyunxudezuigaoguankewendushi75℃
，調節溫度整定值為60℃。當管殼溫度超過允許值後繼電器就切斷電器，對開關管進行保護。半導體熱敏開關器件“熱晶閘管”在超溫保護方麵有重要作用。它可以用作溫度指示電路。根據p型控製柵熱晶閘管(TT102)的特性，由RT值確定該器件的導通溫度
，RT越yue大da，導dao通tong溫wen度du越yue低di。當dang將jiang其qi放fang置zhi功gong率lv開kai關guan三san極ji管guan附fu近jin，或huo在zai電dian源yuan裝zhuang置zhi內nei時shi，它ta就jiu能neng起qi到dao溫wen度du指zhi示shi作zuo用yong。當dang功gong率lv管guan的de管guan殼ke溫wen度du或huo者zhe裝zhuang置zhi內nei部bu的de溫wen度du超chao過guo允yun許xu值zhi時shi
，熱re晶jing閘zha管guan就jiu導dao通tong，使shi發fa光guang二er極ji管guan發fa亮liang告gao警jing。倘tang若ruo配pei合he光guang電dian耦ou合he器qi，就jiu可ke使shi整zheng機ji告gao警jing電dian路lu動dong作zuo
，保bao護hu開kai關guan穩wen壓ya器qi。它ta亦yi可ke以yi象xiang圖tu8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護

，晶體開關管的基極電流被n控製柵型熱晶閘管TT201旁路，開關管截止
，切斷集電極電流,防止過熱。 　　

8 結語

以上分別討論了在開關穩壓器中的各種保護方式,並介紹了一些具體實現的方法。對一個給定的開關穩壓電源來說，還應從整機保護方麵考慮以下幾點：

1)把開關穩壓器中所應用的開關三極管限製在直流安全工作區域之內工作。對於選定的開關三極管,由晶體管手冊可查得其直流安全工作區。根據集電極電流的最大值來確定輸入過電流的保護值。但是,這個瞬時最大值應轉換為電流的平均值。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關管的動態負載線不超過直流安全工作區的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護的電壓值。

2)把開關穩壓器的輸出限製在所給定的技術指標之內。在所要求的工作溫度範圍內,開關穩壓器的輸出電壓的上、下限就是輸出過

、欠電壓保護的電壓值。過電流保護則可根據最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護值應適當留一定的餘量。

3)由以上兩點確定保護方式之後,再根據電源裝置的需要來確定告警措施。一般告警措施有聲警和光警兩種。聲警適用於整機比較複雜、電源部分又裝在不顯眼的地方,它可以給工作人員以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警並指出故障發生的部位和類型。保護措施要視所保護的部位來確定。在大功率,多路電源的場合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構成自動保護措施,切斷電源的輸入使係統停止工作,免受損害。通過邏輯控製電路使相應的開關三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經濟。這樣可以省去體積大,響應時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器。

4)電(dian)源(yuan)中(zhong)加(jia)設(she)了(le)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)之(zhi)後(hou)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，為(wei)此(ci)要(yao)求(qiu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)本(ben)身(shen)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)要(yao)高(gao)，以(yi)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，進(jin)而(er)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)本(ben)身(shen)的(de)MTBF。這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單、元器件最少，除此而外還要考慮到保護電路本身出故障時維修難度和其所保護的電源損壞程度。

所以必須全麵係統地考慮開關電源各種保護措施，確保開關電源的正常工作和高效率與高可靠性。