開關(guān)電源安全保護(hù)電路剖析

對于開關(guān)電源而言, 安全、可靠性歷來被視為重要的性能之一. 開關(guān)電源在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足電子設(shè)備正常使用要求的條件下, 還要滿足外界或自身電路或負(fù)載電路出現(xiàn)故障的情況下也能安全可靠地工作. 為此, 須有多種保護(hù)措施. 對保護(hù)電路的特點分析, 對存在不足期待克服, 希望設(shè)計出更安全、更可靠的保護(hù)電路。

1 浪涌電流電路剖析

浪涌電流是由于電壓突變所引起. 如電子設(shè)備在第一次加電壓時, 由于大容量電源電容器充電引起的涌入初始電流 開機浪涌電流; 又如直擊雷、感應(yīng)雷沿著電源線進(jìn)入開關(guān)電源的突變電壓所產(chǎn)生瞬態(tài)電流雷浪涌電流. 浪涌電流上升時間非常快, 持續(xù)時間非常短, 破壞作用非常大. 為防止或減輕浪涌電流的破壞, 設(shè)置抑制浪涌電流或?qū)⒗擞侩娏鬓D(zhuǎn)移到地線等方式來保護(hù)開關(guān)電源避免浪涌電流的損害。

1. 1 啟動限流保護(hù)

開關(guān)電源的初級整流電路有大容量濾波電容,開機瞬間整流管向這些大電容充電, 使整流管瞬時電流超過額定值. 為減小開機啟動限流( 浪涌電流) ,開關(guān)電源通常都設(shè)有抗沖擊電路. 如圖1 電路, 在開機瞬間, 開關(guān)電源變壓器的3、4 繞組電壓為0V, VD5截止, 晶閘管VD6 的G、K 極間電壓為0V, VD6 截止.充電電流路徑: AC220V→VD1- 4 正極→大電容C1→地→R2→VD1- 4 負(fù)極. 由于R2 有阻礙大電流作用( 一般設(shè)為3. 3Ω) , 因此能有效限制開機浪涌電流。

開關(guān)電源正常工作后, 開關(guān)電源變壓器的1、2繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓, 對C2 充電( 充電時間常數(shù)約等于R3×C2) , 使VD6 導(dǎo)通, 整流電流不再經(jīng)R2, 而是經(jīng)VD6 的A、K 極返回整流橋VD1- 4 的負(fù)極. 也就是說, 在正常工作狀態(tài), VD6 將R2 短路, 防止R2產(chǎn)生功耗.R2 僅在開機瞬間起作用。

用晶閘管作啟動限流保護(hù)安全可靠, 但電路比較復(fù)雜些, 從電路成本和電路簡捷等角度來說用溫控電阻作啟動限流保護(hù), 它既經(jīng)濟又簡單更安全可靠, 如圖3。

1. 2 雷浪涌電流保護(hù)

電網(wǎng)輸電線受到雷擊或感應(yīng)雷時, 輸電線中的感應(yīng)突變電壓會產(chǎn)生浪涌電流. 為防范雷浪涌電壓和電流沖擊, 常在電源的輸入端并聯(lián)一個或幾個壓敏電阻來釋放雷浪涌電流的沖擊. 圖2 電路是用壓敏電阻來防范雷浪涌電流, 壓敏電阻Rv 常狀態(tài)下呈高阻抗( 近似開路) , 當(dāng)電網(wǎng)輸電線遇到雷擊或感應(yīng)雷, 壓敏電阻Rv 兩端瞬間超過它的啟動電壓, 它將立即由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 近似短路) , 使雷浪涌電流釋放, 同時交流保險絲F 熔斷, 起到防輸電線被雷擊或感應(yīng)雷而損壞電子設(shè)備的目的。

1. 3 實際電路分析及仿真測試

圖3 電路是一個典型的實際開關(guān)電源部分電路

防雷單元: 當(dāng)有雷擊, 產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時, 由Rv1、Rv2、Rv3、F1、F2、F3 和FDG 組成的電路進(jìn)行保護(hù). 當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時, 其阻值降低, 使高壓能量被壓敏電阻所消耗, 若電流過大, F1、F2、F3 會燒毀保護(hù)后級電路。

防開機浪涌單元: 當(dāng)電源開啟瞬間, 要對C 充電, 由于瞬間電流大, 其能量全消耗在溫控電阻Rt上, 由于Rt 的特性是隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小( Rt 為負(fù)溫系數(shù)元件) , 瞬間溫度升高后Rt 阻值減小( 呈低阻抗) , 這時它消耗的能量非常小, 后級電路可正常工作. 溫控電阻Rt 由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 有效地防止浪涌電流。

模擬實驗: 用雷擊浪涌電流發(fā)生器模擬保護(hù)電路加入前后的實驗測試波形如圖4 和開機浪涌電流測試波形如圖5. 模擬實驗表明, 浪涌電流的共同點是作用時間短( 幾至幾十納秒) , 沖擊電流大( 雷擊浪涌電流可達(dá)幾十至幾千安培, 開機浪涌電流超過工作電流的數(shù)十倍以上) , 加入保護(hù)電路后尖峰被削去。

2 過流保護(hù)電路剖析

眾所周知, 當(dāng)電源輸出端超過額定負(fù)載或短路或控制電路失去控制能力等意外情況時, 會造成電子設(shè)備不能正常工作或?qū)﹄娮釉O(shè)備造成損壞等. 過流保護(hù)電路有斷路法、振蕩器調(diào)頻法。

2. 1 斷路法過流保護(hù)

防范電路中的電流過流, 最經(jīng)濟簡便的方法是用保險絲. 保險絲熔斷保護(hù)分為交流保險和直流保險二類. 當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生意外其電流超過保險絲的熔斷值( 熔斷系數(shù)一般在1. 1~ 1. 5 之間) 時, 保險絲熔斷, 達(dá)到過流保護(hù)目的. 但在開機瞬間, 由于大電容的充電, 會產(chǎn)生很大的浪涌電流, 這個浪涌電流一般為正常輸入電流的數(shù)倍, 容易使保險絲熔斷, 而發(fā)生錯誤判斷, 這是它的主要缺陷。

2. 2 振蕩器調(diào)頻法過流保護(hù)

所謂調(diào)頻法就是通過檢測比較放大電路產(chǎn)生一個控制信號使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化, 使負(fù)載電壓降低, 從而達(dá)到負(fù)載電流減小目的. 通常過電流保護(hù)設(shè)定值為額定電流的110% ~ 130% , 能自動恢復(fù)。

在互感器的耦合下, 若輸出端有過載或短路情況發(fā)生時, 此時初級電流會很快的增加, 檢測電阻RS( 錳銅絲) 上的電壓VRS 就會增大. 在圖6( A) 此電壓VRS 超過V2 的B- E 導(dǎo)通電壓,V2 導(dǎo)通, 由于V2 集電極接的是振蕩電路的控制端, 使振蕩電路的振蕩減緩或停止振蕩. 在圖6( B)VRS 經(jīng)電壓比較器后輸出一個控制信號到振蕩電路, 調(diào)節(jié)振蕩頻率, 使輸出電壓降低, 減小負(fù)載電流, 達(dá)到保護(hù)的目的。

圖6( B) 與圖6(A) 的過流保護(hù)精度要高, 因( B) 電路設(shè)計了誤差比較和誤差放大電路。

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