非常經(jīng)典 開關(guān)電源“各類保護(hù)電路”實(shí)例詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-06-01
鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計(jì)用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護(hù)電路。比如有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)等。
電力電子開關(guān)器件在選用時(shí)要留有一定的裕度，確保器件的安全可靠使用。同時(shí)還必須有保護(hù)電路，防止故障發(fā)生造成器件損壞。保護(hù)電路主要包括過流保護(hù)，過壓保護(hù)及過熱保護(hù)。
過流保護(hù)
過流保護(hù)通過在電路中串聯(lián)快速熔斷器實(shí)現(xiàn)，適用于晶閘管和GTO，因?yàn)樗鼈冇休^高的浪涌電流承受能力。對(duì)于MOSFET、GTR、IGBT，由于它們承受過流能力很低，因而必須有專門的過流保護(hù)電路，并要求過流保護(hù)電路在瞬間完成過流檢測(cè)、信號(hào)傳送，保護(hù)動(dòng)作，在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)將電流限定在過載能力以內(nèi)。目前常用的方法有：監(jiān)控法，霍耳電流傳感器保護(hù)法。
過壓保護(hù)
多種原因會(huì)導(dǎo)致電力電子電路產(chǎn)生過電壓，如開關(guān)器件的關(guān)斷、電源開關(guān)的合斷等。由于電路中的寄生電感的存在，各種原因?qū)е碌碾娏魍蛔兙蜁?huì)產(chǎn)生電壓尖峰，從而造成過電壓。壓敏元件是實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)的主要方法，主要包括壓敏電阻和抗雷擊瞬態(tài)電壓抑制器。當(dāng)端電壓超過某一值時(shí)，壓敏電阻就會(huì)急劇減小，從而將瞬態(tài)過電壓抑制。
過熱保護(hù)
電力電子開關(guān)器件在工作時(shí)自身會(huì)消耗功率，如導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗等，這些損耗轉(zhuǎn)換為熱量，會(huì)使器件的結(jié)溫升高，導(dǎo)致器件工作不正常，甚至導(dǎo)致器件損壞。因此，在器件工作時(shí)，必須及時(shí)將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證器件溫度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，這就是散熱設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，它是電力電子電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
該電路屬于輸入欠壓電路，當(dāng)輸入電壓低于保護(hù)電壓時(shí)拉低控制芯片的供電Vcc，從而關(guān)閉輸出。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
當(dāng)電源輸入電壓低于欠壓保護(hù)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)電壓高于U4的Vref，U4導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓為低電平，Q4導(dǎo)通，Vcc供電正常；當(dāng)輸入電壓低于保護(hù)電壓時(shí)，A點(diǎn)電壓低于U4的Vref，U4截止，B點(diǎn)電壓為高電平，Q4截止，從而Vcc沒有電壓，此時(shí)Vref也為低電平，當(dāng)輸入電壓逐漸升高時(shí)，A點(diǎn)電壓也逐漸升高，當(dāng)高于U4的Vref，模塊又正常工作。R4可以設(shè)定欠壓保護(hù)點(diǎn)的回差。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
該電路的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，保護(hù)點(diǎn)精確
缺點(diǎn)：成本較高。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
使用時(shí)注意R1，R2的取值，有時(shí)候需要兩個(gè)電阻并聯(lián)才能得到需要的保護(hù)點(diǎn)。還需要注意R1，R2的溫度系數(shù)，否則高低溫時(shí)，欠壓保護(hù)點(diǎn)相差較大。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
輸入欠壓保護(hù)電路。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定欠壓值時(shí)，關(guān)閉輸出；當(dāng)輸入電壓升高到設(shè)定恢復(fù)值時(shí)，輸出自動(dòng)恢復(fù)正常。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
輸入電壓在正常工作范圍內(nèi)時(shí)， Va大于VD4的穩(wěn)壓值，VT4導(dǎo)通，Vb為0電位，VT5截止， 此時(shí)保護(hù)電路不起作用；當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定欠壓值時(shí)，Va小于VD4的穩(wěn)壓值，VT4截止，Vb為高電位，VT5導(dǎo)通，將COMP（芯片的1腳）拉到0電位，芯片關(guān)閉輸出，從而實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)功能。 R21、VT6、R23組成欠壓關(guān)斷、恢復(fù)時(shí)的回差電路。當(dāng)欠壓關(guān)斷時(shí),VT6導(dǎo)通，將R21與R2并聯(lián)，
恢復(fù)時(shí)，VT6截止，
回差電壓即為(Vin’-Vin)。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：電路形式簡(jiǎn)單，成本較低。
缺點(diǎn)：因穩(wěn)壓管VD4批次間穩(wěn)壓值的差異，導(dǎo)致欠壓保護(hù)點(diǎn)上下浮動(dòng)，大批量生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)常調(diào)試相關(guān)參數(shù)。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
VD4應(yīng)該選溫度系數(shù)較好的穩(wěn)壓管，需調(diào)試的元件如R2應(yīng)考慮多個(gè)并聯(lián)以方便調(diào)試。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
輸出過壓保護(hù)電路。當(dāng)有高于正常輸出電壓范圍的外加電壓加到輸出端或電路本身故障（開環(huán)或其他）導(dǎo)致輸出電壓高于穩(wěn)壓值時(shí)，此電路會(huì)將輸出電壓鉗位在設(shè)定值。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
輸出過壓時(shí)，加在VD3上的電壓大于其穩(wěn)壓值時(shí)，VD3導(dǎo)通，輸出電壓被鉗位，同時(shí)通過IC4向原邊反饋。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：電路形式簡(jiǎn)單，成本較低。
缺點(diǎn)：因穩(wěn)壓管VD3批次間穩(wěn)壓值的差異，導(dǎo)致過壓鉗位點(diǎn)上下浮動(dòng)，大批量生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)常調(diào)試相關(guān)參數(shù)。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
VD3應(yīng)該選溫度系數(shù)較好的穩(wěn)壓管，需調(diào)試的元件如R32應(yīng)考慮多個(gè)并聯(lián)以方便調(diào)試。
當(dāng)過壓保護(hù)電路起作用時(shí)，電路處于非正常工作狀態(tài)。對(duì)于有輸出電壓上下調(diào)功能的電路，過壓保護(hù)點(diǎn)應(yīng)大于輸出電壓上調(diào)最大值。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
輸出過壓保護(hù)電路。當(dāng)有高于正常輸出電壓范圍的外加電壓加到輸出端或電路本身故障（開環(huán)或其他）導(dǎo)致輸出電壓高于正常值時(shí)，此電路會(huì)將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
輸出過壓時(shí)，Va>Vref，IC3導(dǎo)通，通過IC4向原邊反饋,輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的過壓保護(hù)值。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：輸出過壓保護(hù)值可以精確設(shè)置。
缺點(diǎn)：相對(duì)穩(wěn)壓管鉗位方式成本稍高一些。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
當(dāng)過壓保護(hù)電路起作用時(shí)，電路處于非正常工作狀態(tài)。對(duì)于有輸出電壓上下調(diào)功能的電路，過壓保護(hù)點(diǎn)應(yīng)大于輸出電壓上調(diào)最大值。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
在電源系統(tǒng)中，當(dāng)反饋回路失效時(shí)，輸出電壓不受控，電壓升高超出規(guī)定范圍，此時(shí)過高的輸出電壓有可能造成后續(xù)電器設(shè)備的損壞。為解決這問題，通常在電源中增加過壓保護(hù)電路。過壓保護(hù)的方式一般有三種。
A、鉗位型：當(dāng)反饋失效時(shí)，通過過壓鉗位電路將輸出電壓鉗位在一個(gè)定值。
B、間歇保護(hù)型：當(dāng)反饋失效時(shí)，通過保護(hù)電路使輸出電壓來回重啟，輸出電壓的最高點(diǎn)為過壓保護(hù)點(diǎn)。
C、自鎖型：當(dāng)輸出電壓達(dá)到過壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)，電路動(dòng)作，關(guān)閉PWM使模塊無輸出。在排除故障后再重啟電源輸出才正常供電。下述電路為自鎖型控制電路。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
上圖中為隔離的自鎖型控制電路。當(dāng)過壓保護(hù)信號(hào)CONTROL端給出一個(gè)高電平時(shí)，U1中的三極管導(dǎo)通，VCC為整個(gè)電路的供電端。Vcc經(jīng)R5給Q2一個(gè)基極電流，Q1導(dǎo)通并進(jìn)入飽和狀態(tài)，SHUT端被Q2拉至低電平，PWM關(guān)閉電源無輸出。Q2同時(shí)控制Q1的導(dǎo)通。當(dāng) Q2導(dǎo)通時(shí)，Q1的基極電流經(jīng)R2到地，Q1導(dǎo)通，經(jīng)R3再提供一個(gè)基極電流給Q2，維持Q2的導(dǎo)通。Q1及R1、R2、R3構(gòu)成了Q2的正反饋電路。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：可有效的進(jìn)行自鎖保護(hù)，整個(gè)電路等效于一個(gè)可控硅。
缺點(diǎn)：整個(gè)電路需要一個(gè)固定的Vcc。當(dāng)PWM電源端無供電時(shí)，也需保證上圖中VCC電壓的存在。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
1． 此電路要有持續(xù)的供電自鎖才有效。
2． 此電路不宜使用在無人值守的電源系統(tǒng)里。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
該電路屬于過溫保護(hù)電路，但溫度高于設(shè)定的保護(hù)點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉模塊輸出，當(dāng)溫度恢復(fù)后自動(dòng)開啟模塊。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理):
穩(wěn)壓管給U103MAX6501提供5V電壓，溫度正常時(shí)，U103的五腳輸出高電平，當(dāng)溫度超過保護(hù)點(diǎn)時(shí)U103的五腳輸出低電平，當(dāng)溫度恢復(fù)后，U103的五腳輸出高電平。
4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
該電路的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，精確度高。
缺點(diǎn)：成本較高。
5、應(yīng)用的注意事項(xiàng)：
5.1 MAX6501的3腳和1腳相連時(shí)，回差溫度是10℃，當(dāng)其3腳和地相連時(shí)，回差溫度是2℃。
5.2 MAX6501的供電電壓不能超過7V，否則會(huì)損壞。
5.3 MAX6501一定要放置在最熱部分的附近。
1、概述（電路類別、實(shí)現(xiàn)主要功能描述）：
本電路采用熱敏電阻檢測(cè)基板溫度，熱敏電阻阻值隨基板溫度變化而變化， 熱敏電阻阻值的變化導(dǎo)致運(yùn)放輸入電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的翻轉(zhuǎn)控制PWM芯片的輸出，進(jìn)而將模塊關(guān)閉。
2、電路組成（原理圖）：
3、工作原理分析(主要功能、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)原理，關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算分析)：
R99熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫時(shí)，R99=100k，R99與R94的分壓0.45V為U2運(yùn)放的負(fù)輸入，遠(yuǎn)低于運(yùn)放的正輸入2.5V（R23與R97分壓），因此運(yùn)放的輸出是高電平，對(duì)LM5025的SS端無影響，模塊正常工作。
隨著基板溫度升高，R99電阻阻值減小，當(dāng)減小到一定值時(shí)，使得運(yùn)放的負(fù)輸入大于正輸入時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，將LM5025的SS拉低，從而關(guān)閉模塊輸出；溫度保護(hù)點(diǎn)可以適當(dāng)調(diào)整R94，R23，R97的阻值而相應(yīng)地調(diào)整。
模塊關(guān)閉輸出后（過溫保護(hù)），基板溫度會(huì)降低，R99阻值會(huì)增大，運(yùn)放的負(fù)輸入會(huì)降低，為使運(yùn)放的正常翻轉(zhuǎn)，引入電阻R98，原理是運(yùn)放輸出低后，R98相當(dāng)于與R97并聯(lián)，將運(yùn)放的基準(zhǔn)變低，拉開運(yùn)放正負(fù)輸入的電壓間距，從而實(shí)現(xiàn)溫度回差。比如基板溫度90℃時(shí)保護(hù)，80℃時(shí)開啟。
4、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算分析
4.1 運(yùn)放正輸入電壓：VR97=Vref2=5/（1+R23/R97）=5/（1+10/10）=2.5V
4.2 運(yùn)放負(fù)輸入電壓VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94）+0.007,
4.3 得出溫度保護(hù)時(shí)熱敏電阻的阻值：R99（t）=（Vref*R24/（Vref*R97/（R23+R97）-0.007））-R94
4.4 考慮容差時(shí)的計(jì)算見下表：
溫度回差=82.6-77.3=5.3℃
5、電路的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn): 溫度保護(hù)點(diǎn)及溫度回差很容進(jìn)行調(diào)整
缺點(diǎn)： 溫度準(zhǔn)確度偏低
電路比采用溫度開關(guān)略復(fù)雜
溫度保護(hù)時(shí)反映的是熱敏電阻附近的基板溫度，不能反映模塊的最高器件的溫度，不過這可以在設(shè)計(jì)時(shí)解決，比如基板溫度在90℃保護(hù)，實(shí)際板上器件最高溫度已達(dá)130℃，就可以適當(dāng)調(diào)整溫度保護(hù)點(diǎn)，從而起到保護(hù)作用。
6、應(yīng)用的注意事項(xiàng)
盡量將熱敏電阻放置在發(fā)熱器件附近。
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