开关电源保护电路设计与应用

图1-19 开关电源保护电路

开关电源保护是所有电子设备安全运行的基本要求，按开关电源设计技术标准，所应用的电源必须具有过电流保护、过电压保护、欠电压保护、短路保护及过热保护等五种技术保护，这就是开关电源与其他电源相比的优势所在。

1.过电压保护电路

过电压保护是开关电源最基本、最普通的一种保护，它通常出现在检测电路开路、控制电路损坏，或者电源突然发生电压变化等情况下。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。一旦发生过电压，一般所采取的措施是振荡电路停止振荡，关闭驱动脉冲。一般电路在电压保护动作后，再启动电源，必须断开电源才能安全地恢复工作。图1-19a是二次回路输出电压过电压保护电路。当输出电压超过1.2倍的设计电压（V_o）时，稳压二极管VS₁反向击穿，迫使VT₃的基极电压U_b快速升高而导通，这样它的集电极电压U_c下降近于零电压，使得精密稳压源IC₃的阴极失去了标准电压，下降到近似于零电压，这时IC₂的发光二极管的发光亮度急增，IC₂的接收晶体管突显大电流，使控制IC立即关闭PWM转换，输出电压停止，保护了因输出过电压而损坏电路。图中C₃是当电路工作处在正常时为VT₃提供偏置，让高频旁路；另外是当电路发生过电压时，避免VT₃的基极与发射极短路将晶体管损坏。

2.晶闸管过电压保护电路

众所周知，晶闸管由阻断转化为导通必须满足两个条件，首先是在阳极到阴极之间加上正向电压；其次是在门极和阴极之间加上适当的触发电压。向晶闸管供给触发电压的电路，叫触发电路。利用晶闸管的阻断和导通的降压来关闭开关电源的转换，可达到保护开关电源目的。图1-19b就是这一实例。当输出电压V_o突然升高时，稳压二极管VS₁反向击穿，IC₂的发光二极管发光强度增高，经光耦合，接收晶体管的电流上升，足够大的触发电流流经R₄形成足够高的触发电压，使晶闸管导通，将输出电压V_o拉到最低，促使脉宽调制的振荡电路停止工作，使电路得到保护。电容C₂是微分电容，将触发电压微分成尖脉冲，使触发可靠。

图1-19 开关电源保护电路（续）

3.NCP1207过电压、过电流、短路保护电路

图1-19c具有高效、低损耗、零开关功能，它还具有过电压保护、过电流保护及输出短路保护。VT₂、VT₃、R₁₁、R₁₈、R₁₉、VS₂、C₁₂、IC₂等是这些保护的基本元器件。当输出电压过高时，反馈绕组取样电压V_F也高，V_F经R₁₁、R₁₇分压、采样，采样电压由1脚进入IC₁，迫使IC₁锁定输出电脉冲，5脚停止向开关管输出脉冲，也使IC₁的V_CC工作电压下降，片内的振荡器停止振荡，实施过电压保护，当输出电流上升时，MOS管的漏极电流也上升，电流在R₁₁上产生的压降也上升，当电压达到7.2V时，控制芯片IC₁内部出现“溢出”，自动分压，消除因过电流而使开关功率管承受的高压应力，保护了开关功率管的安全；当输出电路发生短路或是过电流，输出电压为零时使IC₂的发光二极管的亮度增大，IC₂的接收晶体管的集电极电流跟随上升，上升电流促使R₁₈的压降上升，场效应晶体管VT₃导通，使VT₂截止，这样IC₁的6脚停止工作，起到短路或过电流的保护。R₂₀、VS₁是VT₂的偏置元器件，通过VS₁稳定地向VT₂提供基极偏置电压。C₈、C₁₁分别为反馈信号电压和IC₁的供电电流滤波元件。C₁₂、C₁₃是高频旁路电容，以保证光耦信号电流和IC₁的供电电流的纯净性。

4.UC3842过电压保护电路

一般开关电源的保护功能都是控制IC里面所具备的功能，但是对于低成本多功能的电源，往往以几只分立元器件进行设计，就具有这样的功能。图1-19d就是利用两只二极管和一只稳压管所设计的过电压保护电路。采用PNP和NPN两种不同型号的管子（VT₂、VT₃）组成复合晶体管。二次电压经VD₂整流、C₁滤波得到直流电压V_o，是供负载所用的电压，设计要求该电压不以输入电压的变化而变化，也不以负载能量的改变而不稳定。电路在正常情况下VT₂的集电极电压V_G较小，VT₂、VT₃截止，输出电压正常，电路工作依旧。当输出电压V_o出现过电压时，控制电压V_G因VS₂反向击穿使它升高，其结果使VT₂、VT₃导通，A点的电压V_e2下降，控制IC₁关闭驱动脉冲，振荡器停振，起到过电压保护的作用。需要注意的是，稳压二极管VS₂的稳定电压与VT₃的发射极电压之和（即V_s2+V_BE3）小于输出电压V_o时，电路处于正常运行，反之电路将进行过电压保护。设计时V_s2的稳压值一般低于实际电压1V左右。

5.NCP1027P过热、过电压保护电路

过热保护也是开关电源的一项重要保护技术，开关电源的主要发热器件有开关功率管、二次整流二极管及高频变压器等。开关电源设计热保护，不仅仅只是保护个别元器件的安全运行，主要是关系到电源的可靠性和使用寿命，它是电源的一项重要指标。图1-19e是NCP1027P过热、过电压保护原理图。R₂₀、R₂₂、VT₄及IC₂组成过热保护电路，R₂₂是负温度系数热敏电阻，安装时把R₂₂粘在功率管或高频变压器等发热器件上，当发热器件温度过高时，R₂₂的阻值急剧下降，R₂₂是晶体管VT₄的基极下偏置电阻，VT₄是PNP型晶体管。此时因R₂₂的阻值下降使它导通，将电压V_CC由VT₄的E极→VT₄的C极→IC₂的3脚，使电路停止工作，达到过热保护的目的。R₁₈、R₁₇、R₂₁组成过功率保护电路，可防止因输入电压较低而使输出功率过高损坏IC₂。VT₅、VT₆、IC₈、R₂₄～R₂₇组成开关控制电路。如果VT₅导通，IC₈的发光二极管发光，接收晶体管导通，IC₂的1脚电压接到VT₅的发射极，经电容C₁₉滤波，使IC₂的V_CC工作电压、电流稳定，达到启动PWM变换。

6.NCP2180组成过电压、欠电压、过电流保护电路

图1-19f所示电路比较复杂，对初学者来说分析起来有点困难，如果能弄懂这样的电路，分析其他的电路图就不会感到困难了。图中的R₈₁、R₈₂、R₃₅组成过电压、欠电压检测电路，电阻分压比可根据过电压、欠电压保护电路的工作点设定，偏置欠电压或过电压的端电压就可以控制PWM的变换器。R₈₀、R₈₃、R₇₉是IC₃的前馈电压比较器，它对PFC的输出电压进行降压取样，取样电压与振荡器的斜坡电压比较，比较的差值调节占空比。R₃₇是IC₃振荡频率设定电阻。TR₄、VD₇、R₄₂～R₄₄、C₃₆组成过电流保护电路，TR₄是电流互感器，用它来代替检测电阻，达到安全可靠的目的。VT₈、VT₉、C₃₇、TR₂组成图腾柱快速驱动电路，保证PWM快速输出，它与IC₃的15脚的输出脉冲的前沿及后沿重叠延迟，可用来驱动二次侧的同步整流。IC₃的3脚接收外来电压信号，实施欠电压及过电压保护。IC₃的5脚检测由TR₄来的电流信号。当5脚上的电压超过0.48V或0.57V时，变换器就进入逐个周期限流工作模式，起到过电流保护。

7.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1-20所示电路是利用桥式检测原理，对电路进行过电流保护。图1-20a和图1-20b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1-20b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：

图1-20 桥式过电流保护电路

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1-21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。

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1-22a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1-22b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1-21 组合型保护电路

8.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1-23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1-22 TL494过电流保护电路

图1-23 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。

9.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，除选用存储时间短、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。

图1-24 KA7522过热保护电路

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1-24所示。

图1-24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。