开关电源安全保护电路剖析

如图7 所示为恒流过流保护电路. 电路中R1和R2 对VR 进行分压, 电阻R2 上分得的电压VR2= VR[ R2/ ( R1+ R2) ] 负载电流I0, 测电阻RS 上的电压VS= I0RS, 电压VS 和VR2 进行比较, 如果VS>VR2,A 输出控制信号, 使脉冲信号频率变化, 使输出电压下降, 输出电流I0 减小。

图8 是常见的光电耦合器驱动过流保护电路,其工作原理: 当输出电流过大时, RS 两端电压上升,IC2② 脚电压高于③脚基准电压, IC2 输出高电压,V1 导通, 光电耦合器IC1 发生光电效应, 使振荡电路的振荡频率发生变化, 从而控制开关管的脉冲信号的宽度( 或频率) 发生变化, 使得输出电压降低, 达到输出过载限流的目的。

2. 3 存在不足

检测电阻RS 总是串在电路中, 若检测电阻RS值取得较小, 电路保护反应速度不快, 精度也不太高, 若检测电阻RS 值取得太大, 功耗就会明显增加, 检测电阻RS 存在着无功损耗而降低开关电源的效率. 为减小检测电阻RS 的无功损耗, 将采取检测信号放大等电路, 提高保护电路的反应速度、精度。

3 过压保护电路剖析

开关电源电路过压分为电源外因过压和内因过压, 它们都会使电子设备工作异常或烧毁电子设备的器件. 电源外因过压主要有错接入380 V 的电压;内因过压主要来自开关电源本身电路异常或元器件损坏( 失去稳压控制) 使输出电压过高. 最常见的过压保护电路有断路法和开关管截止法。

3. 1 断路法过压保护

外因过压主要来自工频电网电压过高, 如因错接入380 V 的电压, 如图9 是一个用继电器J 关断电路起保护的电路. 当交流电源正常时, 通过稳压管VS 的电流很小, IRR VbeQ, 因而三极管V 截止, 继电器J 处于常闭( 导通) 状态. 因某种原因交流电源高于正常状态值时, 通过稳压管VS 的电流很大,IRR> VbeQ, 导致三极管V( 饱和) 导通, 继电器J 动作, 切断输入电路, 从而达到保护开关电源电路及负载电路. 当交流电源恢复正常时, 三极管V 截止, 继电器J 处于常闭( 导通) 状态. 优点是能自动恢复供电, 缺点是稳定性差, 继电器J 的体积较大。

3. 2 开关管截止法过压保护

开关电源本身电路异常或元器件损坏( 失去稳压控制) 使输出电压过高. 如图10 所示是用可控硅驱动的过压保护电路. 在正常的电压输出情况下,T803 第3 绕组中上端正、下端负的电压经R1、R2 分压后不能使VD 击穿导通, 可控硅V2 也截止, 保护电路不动作. 因某原因开关管V1 失去稳压控制, 输出电压异常升高, 高频变压器T 第3 绕组电压经R1、R2 分压后将超过VD 的击穿电压值, 使VD 击穿并引起可控硅V2 触发导通. 可控硅V2 触发后, 使电容C 上端接地, 并使开关管V1 迅速截止. 高频变压器T 第3 绕组电压经整流后, 能使稳压电路输出减弱振荡控制信号, 进一步使开关管V1 加速截止.保护电路动作后, 由于整流滤波后的直流电压经R3给可控硅V2 的A 极供电, 所以V2 将一直导通下去, 直到故障排除后再次开机,V2 才截止。

如图11 所示是用光电耦合器驱动的过压保护电路. 其中, 光电耦合器IC1 在开关电源中起两个作用. 一是实现固态继电器; 另一个作用是对输入与输出进行了隔离。

当输出电压超过正常值时, 在误差比较放大器IC2 的驱动下, 使光电耦合器IC1 内部发光二极管发光, 进而使IC1 光电耦合器的内部光敏三极管饱和导通, 于是开关管V 脉冲电流被光敏三极管短路,所以开关管V 迅速截止. 保护电路动作后, 由于副电源直流电压可控硅的A 极供电, 所以可控硅将一直导通下去, 光敏三极管也一直饱和导通, 直到再次开机。

3. 3 存在不足

由于开关管截止, 没有输出电压. 但当输入接错线而引入380 V 的电压时, 其滤波电容、开关管等元件所加的电压仍然为380 V, 若这些元件的耐压不够而损坏。

4 实际电路分析

如图12 为一个实际开关电源电路. 220 V 的交流电经整流滤波后得到约300 V 的直流电压, 再经T3 的5、1 端绕组加到V3( 大功率开关管) 集电极.L22、L23 可延续脉冲电流对V3 电极的冲击, C23、C24 可吸收V3 集电极尖峰脉冲, 以防止V3 击穿损坏.T3 的9、7 端绕组为正反馈绕组, 其反馈电势经R26、C19 耦合到V3 基极, 从而使V3 产生自激振荡,振荡频率为30- 60 kHz. VD39 为正反馈耦合电容C19 提供放电回路, 同时又将V3 在截止期的b- e极反向电压限制在0. 7 V, 以防止V3 的b- e 击穿。

V20 为恒流驱动管, T3 的8、7 端绕组电势经VD20 整流和C21 电容滤波后建立约8 V 左右的直流电压, 该电压经R22 给V20 集电极供电. 在开关管V3 饱和期间, T3 的9 端的电势经R23 使V20 导通, 因此V20 是为V3 提供恒流驱动电流, 其大小由R22 阻值决定, 恒流驱动使开关电源交流输入电压范围扩大至90- 270 V。

V21 有两个作用, 第一是过压保护, 当C21 两端的电压由正常值8 V 上升到10 V 时. VD44 击穿导通, 并引起V21 导通,V3 基极激励电流被V21 的ce极所短路, 使开关管V3 处于截止状态而被保护.第二个作用是对V3 导通进行延时控制. 在V3 截止期间,T3 的8 端正电势、7 端的负电势经VD43 给C33 充电, 当V3 由截止状态向饱和状态翻转时, C33所充电压将维持V21 再导通一段时间, 在此期间内,V21 对V3 基极的激励电流进行分流, 也就是将V3 的导通延时了一段时间, 此时V3 集电极电压已下降至低点, 以减小V3 由截止向饱和状态翻转瞬间产生的功率损耗。

V38 是欠压保护控制管, 首先是T3 的7 端为正电势、9 端为负电势并经VD24 整流在C26 上建立约- 10 V 直流电压, 此- 10 V 电压经R69、R67 加到V38 的基极. 另外, 300V 电压经R68 也加到V38 基极. 当输入交流电压低于110 V 时, 也就是说整流、滤波后得到的直流电压从300 V 降低至150V 以下,此时V38 基极电位也降低, 于是V38 导通, 然后引起V24、V22 导通,V3 基极激励电流被V22 旁路, 使开关管V3 处于截止状态而起保护。

V25 是过流保护控制管, R39 是开关管V3 的过流检测电阻, R39 上的过流压降经R33 加到V25 基极, 使V25 导通后引起V22 导通, 因而开关管V3 由于过流而被处于截止状态。