开关电源“各类保护电路”实例图解

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开关电源“各类保护电路”实例图解

 

保护电路

鉴于电源电路存在一些不稳定因素，而设计用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。

 

保护电路的类型

电力电子开关器件在选用时要留有一定的裕度，确保器件的安全可靠使用。同时还必须有保护电路，防止故障发生造成器件损坏。保护电路主要包括过流保护，过压保护及过热保护。

 

过流保护

过流保护通过在电路中串联快速熔断器实现，适用于晶闸管和GTO，因为它们有较高的浪涌电流承受能力。对于MOSFET、GTR、IGBT，由于它们承受过流能力很低，因而必须有专门的过流保护电路，并要求过流保护电路在瞬间完成过流检测、信号传送，保护动作，在微秒级时间内将电流限定在过载能力以内。目前常用的方法有：监控法，霍耳电流传感器保护法。

过压保护

多种原因会导致电力电子电路产生过电压，如开关器件的关断、电源开关的合断等。由于电路中的寄生电感的存在，各种原因导致的电流突变就会产生电压尖峰，从而造成过电压。压敏元件是实现过压保护的主要方法，主要包括压敏电阻和抗雷击瞬态电压抑制器。当端电压超过某一值时，压敏电阻就会急剧减小，从而将瞬态过电压抑制。

过热保护

电力电子开关器件在工作时自身会消耗功率，如导通损耗、开关损耗等，这些损耗转换为热量，会使器件的结温升高，导致器件工作不正常，甚至导致器件损坏。因此，在器件工作时，必须及时将产生的热量散发出去，保证器件温度在一个合适的范围内，这就是散热设计的主要内容，它是电力电子电路设计的一个重要部分。

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输入欠压保护电路

输入欠压保护电路一

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

该电路属于输入欠压电路，当输入电压低于保护电压时拉低控制芯片的供电Vcc，从而关闭输出。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

当电源输入电压低于欠压保护设定点时，A点电压高于U4的Vref，U4导通，B点电压为低电平，Q4导通，Vcc供电正常；当输入电压低于保护电压时，A点电压低于U4的Vref，U4截止，B点电压为高电平，Q4截止，从而Vcc没有电压，此时Vref也为低电平，当输入电压逐渐升高时，A点电压也逐渐升高，当高于U4的Vref，模块又正常工作。R4可以设定欠压保护点的回差。

4、电路的优缺点

该电路的优点：电路简单，保护点精确

缺点：成本较高。

5、应用的注意事项：

使用时注意R1，R2的取值，有时候需要两个电阻并联才能得到需要的保护点。还需要注意R1，R2的温度系数，否则高低温时，欠压保护点相差较大。

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输入欠压保护电路二

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时，关闭输出；当输入电压升高到设定恢复值时，输出自动恢复正常。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输入电压在正常工作范围内时， Va大于VD4的稳压值，VT4导通，Vb为0电位，VT5截止， 此时保护电路不起作用；当输入电压低于设定欠压值时，Va小于VD4的稳压值，VT4截止，Vb为高电位，VT5导通，将COMP（芯片的1脚）拉到0电位，芯片关闭输出，从而实现了欠压保护功能。    R21、VT6、R23组成欠压关断、恢复时的回差电路。当欠压关断时,VT6导通，将R21与R2并联，

 恢复时，VT6截止，  回差电压即为(Vin’-Vin)。

4、电路的优缺点

优点：电路形式简单，成本较低。

缺点：因稳压管VD4批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。

5、应用的注意事项：

VD4应该选温度系数较好的稳压管，需调试的元件如R2应考虑多个并联以方便调试。

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输出过压保护电路

输出过压保护电路一

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障（开环或其他）导致输出电压高于稳压值时，此电路会将输出电压钳位在设定值。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输出过压时，加在VD3上的电压大于其稳压值时，VD3导通，输出电压被钳位，同时通过IC4向原边反馈。

4、电路的优缺点

优点：电路形式简单，成本较低。

缺点：因稳压管VD3批次间稳压值的差异，导致过压钳位点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。

5、应用的注意事项：

VD3应该选温度系数较好的稳压管，需调试的元件如R32应考虑多个并联以方便调试。

当过压保护电路起作用时，电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路，过压保护点应大于输出电压上调最大值。

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输出过压保护电路二

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障（开环或其他）导致输出电压高于正常值时，此电路会将输出电压稳定在设定值。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

输出过压时，Va>Vref，IC3导通，通过IC4向原边反馈,输出电压稳定在设定的过压保护值。

4、电路的优缺点

优点：输出过压保护值可以精确设置。

缺点：相对稳压管钳位方式成本稍高一些。

5、应用的注意事项：

当过压保护电路起作用时，电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路，过压保护点应大于输出电压上调最大值。

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过压保护自锁控制电路

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

在电源系统中，当反馈回路失效时，输出电压不受控，电压升高超出规定范围，此时过高的输出电压有可能造成后续电器设备的损坏。为解决这问题，通常在电源中增加过压保护电路。过压保护的方式一般有三种。

A、钳位型：当反馈失效时，通过过压钳位电路将输出电压钳位在一个定值。

B、间歇保护型：当反馈失效时，通过保护电路使输出电压来回重启，输出电压的最高点为过压保护点。

C、自锁型：当输出电压达到过压保护点时，电路动作，关闭PWM使模块无输出。在排除故障后再重启电源输出才正常供电。下述电路为自锁型控制电路。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

上图中为隔离的自锁型控制电路。当过压保护信号CONTROL端给出一个高电平时，U1中的三极管导通，VCC为整个电路的供电端。Vcc经R5给Q2一个基极电流，Q1导通并进入饱和状态，SHUT端被Q2拉至低电平，PWM关闭电源无输出。Q2同时控制Q1的导通。当 Q2导通时，Q1的基极电流经R2到地，Q1导通，经R3再提供一个基极电流给Q2，维持Q2的导通。Q1及R1、R2、R3构成了Q2的正反馈电路。

4、电路的优缺点

优点：可有效的进行自锁保护，整个电路等效于一个可控硅。

缺点：整个电路需要一个固定的Vcc。当PWM电源端无供电时，也需保证上图中VCC电压的存在。

5、应用的注意事项：

1． 此电路要有持续的供电自锁才有效。

2． 此电路不宜使用在无人值守的电源系统里。

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过温保护电路

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

该电路属于过温保护电路，但温度高于设定的保护点时，关闭模块输出，当温度恢复后自动开启模块。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理):

稳压管给U103MAX6501提供5V电压，温度正常时，U103的五脚输出高电平，当温度超过保护点时U103的五脚输出低电平，当温度恢复后，U103的五脚输出高电平。

4、电路的优缺点

该电路的优点：电路简单，精确度高。

缺点：成本较高。

5、应用的注意事项：

5.1  MAX6501的3脚和1脚相连时，回差温度是10℃，当其3脚和地相连时，回差温度是2℃。

5.2  MAX6501的供电电压不能超过7V，否则会损坏。

5.3  MAX6501一定要放置在最热部分的附近。

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过温保护电路-热敏电阻

1、概述（电路类别、实现主要功能描述）：

本电路采用热敏电阻检测基板温度，热敏电阻阻值随基板温度变化而变化， 热敏电阻阻值的变化导致运放输入电压变化，从而实现运放的翻转控制PWM芯片的输出，进而将模块关闭。

2、电路组成（原理图）：

 

3、工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理，关键参数计算分析)：

R99热敏电阻是负温度系数热敏电阻，常温时，R99=100k，R99与R94的分压0.45V为U2运放的负输入，远低于运放的正输入2.5V（R23与R97分压），因此运放的输出是高电平，对LM5025的SS端无影响，模块正常工作。

随着基板温度升高，R99电阻阻值减小，当减小到一定值时，使得运放的负输入大于正输入时，运放输出低电平，将LM5025的SS拉低，从而关闭模块输出；温度保护点可以适当调整R94，R23，R97的阻值而相应地调整。

模块关闭输出后（过温保护），基板温度会降低，R99阻值会增大，运放的负输入会降低，为使运放的正常翻转，引入电阻R98，原理是运放输出低后，R98相当于与R97并联，将运放的基准变低，拉开运放正负输入的电压间距，从而实现温度回差。比如基板温度90℃时保护，80℃时开启。

4、关键参数计算分析

4.1  运放正输入电压：VR97=Vref2=5/（1+R23/R97）=5/（1+10/10）=2.5V

4.2  运放负输入电压VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94）+0.007,

4.3  得出温度保护时热敏电阻的阻值：R99（t）=（Vref*R24/（Vref*R97/（R23+R97）-0.007））-R94

 

 

4.4  考虑容差时的计算见下表：

 

 

温度回差=82.6-77.3=5.3℃

5、电路的优缺点

优点:   温度保护点及温度回差很容进行调整

缺点： 温度准确度偏低

电路比采用温度开关略复杂

温度保护时反映的是热敏电阻附近的基板温度，不能反映模块的最高器件的温度，不过这可以在设计时解决，比如基板温度在90℃保护，实际板上器件最高温度已达130℃，就可以适当调整温度保护点，从而起到保护作用。

6、应用的注意事项

尽量将热敏电阻放置在发热器件附近。

LauPngChg

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Sakuranetin

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黄佳庆

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JCF184

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