直流开关稳压电源的保护技术

当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路,造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为5～10μs。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。图5是改进后的电路。其中R1、R2是取样电路，Vz是基准电压。

图5 输出过电压保护

输出电压Esc突然升高，晶体管V1、V2导通，晶闸管就导通。基准电压Vz由式

Esc=(R1＋R2)(Vz＋UBEI)/R1

来确定，UBE1为V1的发射结（BE）电压降。本电路的动作电压可变，并且动作点相当稳定。当稳压管为7V时，其温度系数和晶体管V1的发射结（BE）电压的温度系数可以抵消，能使温度系数降得很低。但是对于输出为5～5.5V的直流开关稳压器来说，其常用的动作电压是5.5～6V。那么稳压管电压必在3.5V以下，此电压附近的稳压管的温度变化系数是－20～－30mV/℃。因此,温度变化大的场合保护电路还会发生误动作。采用集成电路电压比较器来检测开关稳压器的输出电压，是目前较为常用的方法，利用比较器的输出状态的改变跟相应的逻辑电路配合，构成过电压保护电路，这种电路既灵敏又稳定。

6 欠电压保护

输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设欠电压保护。简单的欠电压保护如图6所示。

图6 输入欠电压保护

当未稳压输入的电压值正常时，稳压管ZD击穿，晶体管V导通，继电器动作，触点吸合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管ZD不通，V截止，触点跳开，开关稳压器不能工作。

开关稳压器内部，由于控制电路失常或者开关三极管失效会使输出电压下降；负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的，因而更加重要。实现方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器，如图7所示。

图7 欠压保护方框图

正常时，比较器没有输出，一旦电压跌落在允许值之下比较器就翻转，驱动告警电路;同时反馈到开关稳压器的控制电路，使开关三极管截止或切断输入电源。

7 过热保护

开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。

采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置于开关三极管的附近，一般大功率管允许的最高管壳温度是75℃，调节温度整定值为60℃。当管壳温度超过允许值后继电器就切断电器，对开关管进行保护。

半导体热敏开关器件“热晶闸管”在超温保护方面有重要作用。它可以用作温度指示电路。根据p型控制栅热晶闸管(TT102)的特性，由RT〔见图8(a)〕值确定该器件的导通温度，RT越大，导通温度越低。当将其放置功率开关三极管附近，或在电源装置内时，它就能起到温度指示作用。当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极管发亮告警。

倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关稳压器。它亦可以象图8(b)那样用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被n控制栅型热晶闸管TT201旁路，开关管截止，切断集电极电流,防止过热。

(a) 采用P型热晶闸管 (b) 采用n型热晶闸管

图8 过热保护

8 结语

以上分别讨论了在开关稳压器中的各种保护方式,并介绍了一些具体实现的方法。对一个给定的开关稳压电源来说，还应从整机保护方面考虑以下几点：

1)把开关稳压器中所应用的开关三极管限制在直流安全工作区域之内工作。对于选定的开关三极管,由晶体管手册可查得其直流安全工作区。根据集电极电流的最大值来确定输入过电流的保护值。但是,这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。在额定输出电流与输出电压的条件下,开关管的动态负载线不超过直流安全工作区的最大输入电压,就是输入过电压保护的电压值。

2)把开关稳压器的输出限制在所给定的技术指标之内。在所要求的工作温度范围内,开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。过电流保护则可根据最大输出电流来确定。为了不误告警,保护值应适当留一定的余量。

3)由以上两点确定保护方式之后,再根据电源装置的需要来确定告警措施。一般告警措施有声警和光警两种。声警适用于整机比较复杂、电源部分又装在不显眼的地方,它可以给工作人员以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障发生的部位和类型。保护措施要视所保护的部位来确定。在大功率,多路电源的场合,总是用交、直流断路器,高灵敏继电器等构成自动保护措施,切断电源的输入使系统停止工作,免受损害。通过逻辑控制电路使相应的开关三极管截止的方案显得既灵敏方便又经济。这样可以省去体积大,响应时间长,价格贵的大功率继电器或断路器。

4)电源中加设了保护电路之后会影响系统的可靠性，为此要求保护电路本身的可靠性要高，以提高整个电源系统的可靠性，进而提高电源本身的MTBF。这就要求保护的逻辑严密,电路简单、元器件最少，除此而外还要考虑到保护电路本身出故障时维修难度和其所保护的电源损坏程度。

所以必须全面系统地考虑开关电源各种保护措施，确保开关电源的正常工作和高效率与高可靠性。