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非常經(jīng)典 開(kāi)關(guān)電源“各類(lèi)保護電路”實(shí)例詳解-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-06-01 

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【非常經(jīng)典】開(kāi)關(guān)電源"各類(lèi)保護電路"實(shí)例詳解

保護電路

鑒于電源電路存在一些不穩定因素,而設計用來(lái)防止此類(lèi)不穩定因素影響電路效果的回路稱(chēng)作保護電路。比如有過(guò)流保護、過(guò)壓保護、過(guò)熱保護、空載保護、短路保護等。


保護電路的類(lèi)型

電力電子開(kāi)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)還必須有保護電路,防止故障發(fā)生造成器件損壞。保護電路主要包括過(guò)流保護,過(guò)壓保護及過(guò)熱保護。


過(guò)流保護

過(guò)流保護通過(guò)在電路中串聯(lián)快速熔斷器實(shí)現,適用于晶閘管和GTO,因為它們有較高的浪涌電流承受能力。對于MOSFET、GTR、IGBT,由于它們承受過(guò)流能力很低,因而必須有專(zhuān)門(mén)的過(guò)流保護電路,并要求過(guò)流保護電路在瞬間完成過(guò)流檢測、信號傳送,保護動(dòng)作,在微秒級時(shí)間內將電流限定在過(guò)載能力以?xún)取D壳俺S玫姆椒ㄓ校罕O控法,霍耳電流傳感器保護法。


過(guò)壓保護

多種原因會(huì )導致電力電子電路產(chǎn)生過(guò)電壓,如開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷、電源開(kāi)關(guān)的合斷等。由于電路中的寄生電感的存在,各種原因導致的電流突變就會(huì )產(chǎn)生電壓尖峰,從而造成過(guò)電壓。壓敏元件是實(shí)現過(guò)壓保護的主要方法,主要包括壓敏電阻和抗雷擊瞬態(tài)電壓抑制器。當端電壓超過(guò)某一值時(shí),壓敏電阻就會(huì )急劇減小,從而將瞬態(tài)過(guò)電壓抑制。


過(guò)熱保護

電力電子開(kāi)關(guān)器件在工作時(shí)自身會(huì )消耗功率,如導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗等,這些損耗轉換為熱量,會(huì )使器件的結溫升高,導致器件工作不正常,甚至導致器件損壞。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,這就是散熱設計的主要內容,它是電力電子電路設計的一個(gè)重要部分。


輸入欠壓保護電路
輸入欠壓保護電路一

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

該電路屬于輸入欠壓電路,當輸入電壓低于保護電壓時(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):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

當電源輸入電壓低于欠壓保護設定點(diǎn)時(shí),A點(diǎn)電壓高于U4的Vref,U4導通,B點(diǎn)電壓為低電平,Q4導通,Vcc供電正常;當輸入電壓低于保護電壓時(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(méi)有電壓,此時(shí)Vref也為低電平,當輸入電壓逐漸升高時(shí),A點(diǎn)電壓也逐漸升高,當高于U4的Vref,模塊又正常工作。R4可以設定欠壓保護點(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,保護點(diǎn)精確

缺點(diǎn):成本較高。


5、應用的注意事項:

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點(diǎn)。還需要注意R1,R2的溫度系數,否則高低溫時(shí),欠壓保護點(diǎn)相差較大。


輸入欠壓保護電路二

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

輸入欠壓保護電路。當輸入電壓低于設定欠壓值時(shí),關(guān)閉輸出;當輸入電壓升高到設定恢復值時(shí),輸出自動(dòng)恢復正常。


2、電路組成(原理圖):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

輸入電壓在正常工作范圍內時(shí), Va大于VD4的穩壓值,VT4導通,Vb為0電位,VT5截止, 此時(shí)保護電路不起作用;當輸入電壓低于設定欠壓值時(shí),Va小于VD4的穩壓值,VT4截止,Vb為高電位,VT5導通,將COMP(芯片的1腳)拉到0電位,芯片關(guān)閉輸出,從而實(shí)現了欠壓保護功能。    R21、VT6、R23組成欠壓關(guān)斷、恢復時(shí)的回差電路。當欠壓關(guān)斷時(shí),VT6導通,將R21與R2并聯(lián),開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路恢復時(shí),VT6截止,開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路回差電壓即為(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):因穩壓管VD4批次間穩壓值的差異,導致欠壓保護點(diǎn)上下浮動(dòng),大批量生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)常調試相關(guān)參數。


5、應用的注意事項:

VD4應該選溫度系數較好的穩壓管,需調試的元件如R2應考慮多個(gè)并聯(lián)以方便調試。


輸出過(guò)壓保護電路
輸出過(guò)壓保護電路一

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

輸出過(guò)壓保護電路。當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(kāi)環(huán)或其他)導致輸出電壓高于穩壓值時(shí),此電路會(huì )將輸出電壓鉗位在設定值。


2、電路組成(原理圖):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

輸出過(guò)壓時(shí),加在VD3上的電壓大于其穩壓值時(shí),VD3導通,輸出電壓被鉗位,同時(shí)通過(guò)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):因穩壓管VD3批次間穩壓值的差異,導致過(guò)壓鉗位點(diǎn)上下浮動(dòng),大批量生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)常調試相關(guān)參數。


5、應用的注意事項:

VD3應該選溫度系數較好的穩壓管,需調試的元件如R32應考慮多個(gè)并聯(lián)以方便調試。

當過(guò)壓保護電路起作用時(shí),電路處于非正常工作狀態(tài)。對于有輸出電壓上下調功能的電路,過(guò)壓保護點(diǎn)應大于輸出電壓上調最大值。


輸出過(guò)壓保護電路二

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

輸出過(guò)壓保護電路。當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(kāi)環(huán)或其他)導致輸出電壓高于正常值時(shí),此電路會(huì )將輸出電壓穩定在設定值。


2、電路組成(原理圖):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

輸出過(guò)壓時(shí),Va>Vref,IC3導通,通過(guò)IC4向原邊反饋,輸出電壓穩定在設定的過(guò)壓保護值。


4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):輸出過(guò)壓保護值可以精確設置。

缺點(diǎn):相對穩壓管鉗位方式成本稍高一些。


5、應用的注意事項:

當過(guò)壓保護電路起作用時(shí),電路處于非正常工作狀態(tài)。對于有輸出電壓上下調功能的電路,過(guò)壓保護點(diǎn)應大于輸出電壓上調最大值。


過(guò)壓保護自鎖控制電路

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

在電源系統中,當反饋回路失效時(shí),輸出電壓不受控,電壓升高超出規定范圍,此時(shí)過(guò)高的輸出電壓有可能造成后續電器設備的損壞。為解決這問(wèn)題,通常在電源中增加過(guò)壓保護電路。過(guò)壓保護的方式一般有三種。


A、鉗位型:當反饋失效時(shí),通過(guò)過(guò)壓鉗位電路將輸出電壓鉗位在一個(gè)定值。


B、間歇保護型:當反饋失效時(shí),通過(guò)保護電路使輸出電壓來(lái)回重啟,輸出電壓的最高點(diǎn)為過(guò)壓保護點(diǎn)。


C、自鎖型:當輸出電壓達到過(guò)壓保護點(diǎn)時(shí),電路動(dòng)作,關(guān)閉PWM使模塊無(wú)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):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

上圖中為隔離的自鎖型控制電路。當過(guò)壓保護信號CONTROL端給出一個(gè)高電平時(shí),U1中的三極管導通,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(wú)輸出。Q2同時(shí)控制Q1的導通。當 Q2導通時(shí),Q1的基極電流經(jīng)R2到地,Q1導通,經(jīng)R3再提供一個(gè)基極電流給Q2,維持Q2的導通。Q1及R1、R2、R3構成了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,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PWM電源端無(wú)供電時(shí),也需保證上圖中VCC電壓的存在。


5、應用的注意事項:

1. 此電路要有持續的供電自鎖才有效。

2. 此電路不宜使用在無(wú)人值守的電源系統里。


過(guò)溫保護電路

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

該電路屬于過(guò)溫保護電路,但溫度高于設定的保護點(diǎn)時(shí),關(guān)閉模塊輸出,當溫度恢復后自動(dòng)開(kāi)啟模塊。


2、電路組成(原理圖):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理):

穩壓管給U103MAX6501提供5V電壓,溫度正常時(shí),U103的五腳輸出高電平,當溫度超過(guò)保護點(diǎn)時(shí)U103的五腳輸出低電平,當溫度恢復后,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、應用的注意事項:

5.1  MAX6501的3腳和1腳相連時(shí),回差溫度是10℃,當其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(guò)7V,否則會(huì )損壞。

5.3  MAX6501一定要放置在最熱部分的附近。


過(guò)溫保護電路-熱敏電阻

1、概述(電路類(lèi)別、實(shí)現主要功能描述):

本電路采用熱敏電阻檢測基板溫度,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致運放輸入電壓變化,從而實(shí)現運放的翻轉控制PWM芯片的輸出,進(jìn)而將模塊關(guān)閉。


2、電路組成(原理圖):

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路


3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實(shí)現原理,關(guān)鍵參數計算分析):

R99熱敏電阻是負溫度系數熱敏電阻,常溫時(shí),R99=100k,R99與R94的分壓0.45V為U2運放的負輸入,遠低于運放的正輸入2.5V(R23與R97分壓),因此運放的輸出是高電平,對LM5025的SS端無(wú)影響,模塊正常工作。


隨著(zhù)基板溫度升高,R99電阻阻值減小,當減小到一定值時(shí),使得運放的負輸入大于正輸入時(shí),運放輸出低電平,將LM5025的SS拉低,從而關(guān)閉模塊輸出;溫度保護點(diǎn)可以適當調整R94,R23,R97的阻值而相應地調整。


模塊關(guān)閉輸出后(過(guò)溫保護),基板溫度會(huì )降低,R99阻值會(huì )增大,運放的負輸入會(huì )降低,為使運放的正常翻轉,引入電阻R98,原理是運放輸出低后,R98相當于與R97并聯(lián),將運放的基準變低,拉開(kāi)運放正負輸入的電壓間距,從而實(shí)現溫度回差。比如基板溫度90℃時(shí)保護,80℃時(shí)開(kāi)啟。


4、關(guān)鍵參數計算分析

4.1  運放正輸入電壓:VR97=Vref2=5/(1+R23/R97)=5/(1+10/10)=2.5V

4.2  運放負輸入電壓VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94)+0.007,

4.3  得出溫度保護時(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)的計算見(jiàn)下表:

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路

開(kāi)關(guān)電源,輸入,保護電路

溫度回差=82.6-77.3=5.3℃


5、電路的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):   溫度保護點(diǎn)及溫度回差很容進(jìn)行調整

缺點(diǎn): 溫度準確度偏低

電路比采用溫度開(kāi)關(guān)略復雜

溫度保護時(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(guò)這可以在設計時(shí)解決,比如基板溫度在90℃保護,實(shí)際板上器件最高溫度已達130℃,就可以適當調整溫度保護點(diǎn),從而起到保護作用。


6、應用的注意事項

盡量將熱敏電阻放置在發(fā)熱器件附近。


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