开关电源保护回路的设计优化

1.过电流保护电路

过电流包括电源负载超出规定值和电源输出电路出现零负载（即短路）。图2-15所示电路是利用桥式检测原理，对电路进行过电流保护。图2-15a和图2-15b只是检测电阻R_S的位置不同，其工作原理完全是一样的。由R₁、R₂、R_S和负载构成桥式电路，反馈放大器的增益较高时，只要输出电流稍过载，输出电压就急剧下降。即使R₄为无穷大，R₃=0，但工作原理不变，理论上输出电压为零，过电流保护工作点也是零。V_ST是启动电压，用于防止电源启动时出现故障。V_ST值的设定要求是启动二极管VD₂必须截止，对过电流设定值I_M没有任何影响，这样启动时不会影响过电流保护，如图2-15b所示。启动电压V_ST的大小决定输出短路时的短路电流I_S：

因此，对于过电流保护电路桥，只要桥电压改变极性，输出极性也将改变，有可能会发生短路故障。如果将两个电源a和b串联起来，则可以避免因桥电压极性改变而发生故障。

图2-16所示电路是恒流型限流电路与断开型过电流保护电路相结合的组合型保护电路。

图2-15 桥式过电流保护电路

图2-16 组合型保护电路

电路中恒压用反馈放大器A₁的输出电压去控制VLC_1-2，使电压保持稳定。放大器A₂用来检测电路中电流的情况，它的输出驱动电路VLC_2-1的功能是恒流。另一方面，放大器A₂的输出控制着VLC_1-1、VLC_1-2。当IC₁的16脚电平下降时，开关晶体管的驱动脉冲信号消失，达到保护的目的。电路中稳压二极管VS₁用于防止VLC_1-2误动作。当VS₁的稳定电压达到稳定值范围后，VLC_1-1才能获得足够的导通电压，通过A₂电流检测，驱动VLC_2-1，执行电路恒流工作。电容C是电压负反馈元件。

在图2-17a所示电路中，开关晶体管VT₁和VT₂的发射极接入电阻R_S用来检测过电流。当电路发生过电流时，R_S上的电压会上升，其结果是VT₄导通，VT₃也导通，基准电压加到TL494的CON端，使CON端输出截止，从而防止了过电流。TL494的输出端Q断开后，开关晶体管VT₃、VT₄相继截止，CON端返回到正常电平。在此期间，TL494内的双稳态谐振振荡器也将翻转。这时，CON端为正常电平，在三角波电压下降前，Q端输出脉冲。这样，从Q输出到Q输出的时间是控制电路的滞后时间，因而空闲时间很短，如图2-17b所示。如果开关晶体管VT₁与VT₂同时导通，会使开关管损坏。为防止这种现象出现，必须采取一定措施。当VT₄导通时，VT₃与VT₅也导通，在电阻R_S上产生压降，但是VT₃、VT₄、VT₅加的是正反馈电压，所以VT₃和VT₅仍继续导通。在1个周期里，CON端不再返回到正常工作时的电平，这时双稳态多谐振荡器不会发生翻转。如果振荡电容C_T放电到放电电压的谷点，VT₅的导通电流由于VD₁的分流而截止，随后VT₃也截止，防止了VT₁与VT₂同时导通而损坏开关晶体管。当CON端转为正常电平后，电路进入下一个工作循环周期。

图2-17 TL494过电流保护电路

2.过电压保护电路

过电压保护是开关电源用得最多的一种保护方式。过电压大多发生在以下情况下：检测电路断开，控制电路损坏，或者供电电源突然发生电压变化。过电压发生时，首要任务是保护负载，其次是保护开关功率管。对于输出只有5V的开关电源，大部分都设计有较好的、响应及时的过电压保护电路、过电流保护电路以及过热保护电路。一旦发生过电压，一般所采取的措施是振荡电路停振，关闭驱动脉冲。因此，若过电压保护电路动作后，再启动电源工作时，必须断开电源才能恢复正常工作。

开关电源最简单的过电压保护措施是在输入电路中并联一只氧化锌压敏电阻。当电网电压出现瞬时尖峰脉冲时，压敏元件可以进行削波钳位。如果过电压情况比较严重，压敏电阻则会击穿导通，这时将熔丝烧毁，使开关电源得到保护。只要输入电源电压低于压敏电阻的压敏电压值，压敏电阻则呈现高阻状态。由此可见，压敏电阻的压敏电压值必须高于最高交流输入电压的峰值，并且还应考虑熔丝系数（K=1.2～1.5）。对于220V的工频输入电压，通常选用压敏电压为380～420V的压敏电阻，大多数选用420V的压敏电阻。

还有过电压保护采用稳压二极管的，不过要注意的是稳定电压是随着稳压二极管电流与温度的变化而变化的，所以在选用稳压二极管时，必须选用性能稳定、电压漂移非常小的产品。用光耦合方式进行过电压保护的电路如图2-18所示。当输出电压（V_o）由于某种原因急剧升高时，二极管VD₂反向击穿，使光耦合器P613G中的发光二极管的电流增大，同时光敏晶体管的电流也增大，使晶闸管触发而导通。这时供电电压V_CC由于晶闸管的导通而下降。电阻R₄使光耦合器的电流转换为触发电压，电容C₁将触发电压微分为尖脉冲，使触发脉冲可靠准确，保证晶闸管导通的快速性和准确性。

图2-18 光耦合晶闸管过电压保护电路

当输出电压为5V时，VD₁选用HZ5C3或者1N5993B，电阻R₁选用10Ω电阻；当输出电压为12V时，VD₁选用1N6002B，电阻R₁选用51Ω电阻；当输出电压为24V时，VD₁选用1N6009B，电阻R₁选用10Ω电阻。

图2-19所示电路是用分立元件构成的过电压保护电路。

图2-19 由分立元件构成的过电压保护电路(www.xing528.com)

两只晶体管采用PNP型和NPN型不同型号的管子组成复合晶体管，对过电压起着保护作用。由图2-19得知，电路的反馈电压V_FB经稳压二极管VS稳压后，由电阻R₁分压，控制VT₂的工作状况。在输出电压正常时，V_G较小，VT₁、VT₂截止，过电压保护电路不工作。当输出电压V_o出现过电压时，反馈电压V_FB升高，控制电压V_G也升高，使得晶体管VT₂、VT₁导通，A点的电压V_e下降，控制IC₁关闭驱动脉冲，振荡器停振，起到保护作用。稳压管VS的稳定电压与VT₂的发射极电压之和（即V_Z+V_BE2）小于反馈电压V_FB时，就进行过电压保护。一般V_FB为12V左右（对光耦合电路）。

3.欠电压保护电路

欠电压保护对于我国目前的电力供应情况来说是非常需要的。往往由于供电电压过低，开关电源无法启动，甚至烧毁，因此必须采取欠电压保护措施。图2-20所示是由光耦合器等组成的欠电压保护电路。

当输入市电电压低于下限值时，经过整流桥（未画出）整流、电容C₃滤波的直流电压V₁也较低，经电路电阻R₁、R₂分压后使V_B电压降低。当VT₁的基极电压V_B低于2.1V时，VT₁、VD₄均导通，迫使V_C下降。当V_C＜5.7V，立即使IC₁的7脚（比较器输出端）电压下降到2.1V（正常值为3.4V）以下时，IC₁脉宽调制输出高电平，造成PWM锁存器复位，立即关闭输出。这就是光耦合输入、欠电压保护的工作原理。

设VT₁的发射结电压V_BE=0.65V，VD₄的导通压降V_F4=0.65V，IC₁的正常工作电压V_C的下限电压为3.4V。显然，当VT₁和VD₄导通时，VT₁的基极电压V_B=V_C-V_BE-V_F4=3.4V-0.65V-0.65V=2.1V，可将2.1V作为VT₁的欠电压阈值。

设电源输入最低电压V₁=100V，R₁=1MΩ，V_B=2.1V，将其代入上式，可计算出R₂的值。

图2-20 光耦合欠电压保护电路

为了降低保护电路的功耗，反馈电压V_FB应在12～18V范围内取值。如果供电电源突然发生断电，直流电压V₁也随C₃的放电而衰减，使输出电压V_o降低。一旦V_o降到能自动稳压范围之外，电容C₂开始放电，使V_C电压上升，同样也使IC₁的PWM信号的宽度变宽，使输出电压上升，起到稳压作用，但是这种稳压范围很小。

4.过热保护电路

开关电源的耐温性能和防火性能不仅直接关系到开关电源的可靠性和使用寿命，而且还直接关系到发生火灾的危险程度，关系到人们的生命财产安全。

开关电源的热源主要是高频变压器、开关功率晶体管、整流输出二极管以及滤波用的电解电容，其中高频变压器、开关功率晶体管及整流输出二极管的温升比较突出。为了防止开关电源因过热而损坏，设计开关电源时不仅要求必须使用高温特性良好的元器件，同时要求电路、印制电路板（PCB）、高频变压器等设计合理、制作工艺先进，并且需要采取过热保护措施，这些都是为保证安全所必须具备的条件。

为了抑制开关功率晶体管的温升，除选用储存时间短、漏电流小的晶体管（包括MOS_- FET）外，最简便的方法是给晶体管表面加装散热片。事实证明，晶体管加装散热片后，电源的稳定性将大大提高，失效率明显降低。电子开关过热保护措施的作用是在开关电源中容易发热的元器件或电源外壳的温度超过规定极限值之前，切断开关电源的输入线，或强制关闭调制脉冲输出，停止高频振荡。

开关电源过热保护的类型可分成以下几类：自动复位型，手动复位型，不可更新、非复位（熔丝）型以及可提供等效过热保护的其他各种类型。

过热保护器与开关电源构成整体。最基本的放置要求是不能受到机械碰撞，便于拆装；在保护器的功能与极性有关系时，则用软线连接，插头不带极性的设备应该在两根引线上都有过热保护器；保护器的电路断开时，不影响开关电源的正常工作，更不能引起火灾或损坏电气设备。通常开关电源的电路板面积和壳体内的空间都比较小，采用过热保护器有一定的难度。如果过热保护器确实难以放下，可以采用温度熔丝或热敏电阻作为过热保护器。将它贴在高频变压器或功率开关管壳体表面上，当温度升高到一定值（一般为85℃）后，过热保护开关就能自动切断电源。对于独立式开关电源，可以采用过热保护电路。这类保护电路一般利用硅材料PN结晶体管（如3DG42）的发射结或热敏电阻作为温度传感器，各种控制电路在工作原理上大致一致，只是元器件配置不太一样。利用热继电器和晶闸管器件组成的过热保护器，由于电路比较简单，所用元器件少，常在开关电源中被采用。

如果开关电源采用了带有过热保护功能的控制及驱动集成电路，这时不需增加任何外围元器件或只需增加非常少量的外围元器件，就可以起到过热保护的作用。

以KA7522为代表的开关电源控制及驱动集成电路没有内置PN结温度传感器，只含有过热关断电路。对于这类控制集成电路，只需在它的外部接一个温度传感元件，具体的过热保护电路如图2-21所示。

在图2-21中，R_T是NTC热敏电阻，它在电路板上应紧贴易发热的元件，只要发热元件的温度达到或超过85℃，IC₁的17脚上的电压就会降到0.85V以下，IC₁则关断内部的驱动电路，使其2脚及19脚输出的电平为低电平，开关电源停止工作。当温度降低到50℃时，IC₁利用18脚的电压温度滞后特性，将重新启动，调制脉冲重新输出，开关电源开始工作。由此可见，采用具有过热关断电路的控制集成电路，可使过热保护变得十分简单，而且集成电路本身的价格也很低，其性能价格比是很高的，值得推广。

图2-21 KA7522过热保护电路