【非常經典】開關電源"各類保護電路"實例詳解

保護電路

鑒于電源電路存在一些不穩定因素，而設計用來防止此類不穩定因素影響電路效果的回路稱作保護電路。比如有過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等。

保護電路的類型

電力電子開關器件在選用時要留有一定的裕度，確保器件的安全可靠使用。同時還必須有保護電路，防止故障發生造成器件損壞。保護電路主要包括過流保護，過壓保護及過熱保護。

過流保護

過流保護通過在電路中串聯快速熔斷器實現，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，由于它們承受過流能力很低，因而必須有專門的過流保護電路，并要求過流保護電路在瞬間完成過流檢測、信號傳送，保護動作，在微秒級時間內將電流限定在過載能力以內。目前常用的方法有：監控法，霍耳電流傳感器保護法。

過壓保護

多種原因會導致電力電子電路產生過電壓，如開關器件的關斷、電源開關的合斷等。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產生電壓尖峰，從而造成過電壓。壓敏元件是實現過壓保護的主要方法，主要包括壓敏電阻和抗雷擊瞬態電壓抑制器。當端電壓超過某一值時，壓敏電阻就會急劇減小，從而將瞬態過電壓抑制。

過熱保護

電力電子開關器件在工作時自身會消耗功率，如導通損耗、開關損耗等，這些損耗轉換為熱量，會使器件的結溫升高，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，必須及時將產生的熱量散發出去，保證器件溫度在一個合適的范圍內，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（電路類別、實現主要功能描述）：

該電路屬于輸入欠壓電路，當輸入電壓低于保護電壓時拉低控制芯片的供電Vcc，從而關閉輸出。

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

當電源輸入電壓低于欠壓保護設定點時，A點電壓高于U4的Vref，U4導通，B點電壓為低電平，Q4導通，Vcc供電正常；當輸入電壓低于保護電壓時，A點電壓低于U4的Vref，U4截止，B點電壓為高電平，Q4截止，從而Vcc沒有電壓，此時Vref也為低電平，當輸入電壓逐漸升高時，A點電壓也逐漸升高，當高于U4的Vref，模塊又正常工作。R4可以設定欠壓保護點的回差。

4、電路的優缺點

該電路的優點：電路簡單，保護點精確

缺點：成本較高。

5、應用的注意事項：

使用時注意R1，R2的取值，有時候需要兩個電阻并聯才能得到需要的保護點。還需要注意R1，R2的溫度系數，否則高低溫時，欠壓保護點相差較大。

輸入欠壓保護電路二

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

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

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

輸入電壓在正常工作范圍內時， Va大于VD4的穩壓值，VT4導通，Vb為0電位，VT5截止， 此時保護電路不起作用；當輸入電壓低于設定欠壓值時，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，芯片關閉輸出，從而實現了欠壓保護功能。    R21、VT6、R23組成欠壓關斷、恢復時的回差電路。當欠壓關斷時,VT6導通，將R21與R2并聯，恢復時，VT6截止，回差電壓即為(Vin’-Vin)。

4、電路的優缺點

優點：電路形式簡單，成本較低。

缺點：因穩壓管VD4批次間穩壓值的差異，導致欠壓保護點上下浮動，大批量生產時需經常調試相關參數。

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應考慮多個并聯以方便調試。

輸出過壓保護電路
輸出過壓保護電路一

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

輸出過壓保護電路。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（開環或其他）導致輸出電壓高于穩壓值時，此電路會將輸出電壓鉗位在設定值。

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

輸出過壓時，加在VD3上的電壓大于其穩壓值時，VD3導通，輸出電壓被鉗位，同時通過IC4向原邊反饋。

4、電路的優缺點

優點：電路形式簡單，成本較低。

缺點：因穩壓管VD3批次間穩壓值的差異，導致過壓鉗位點上下浮動，大批量生產時需經常調試相關參數。

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應考慮多個并聯以方便調試。

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

輸出過壓保護電路二

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

輸出過壓保護電路。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（開環或其他）導致輸出電壓高于正常值時，此電路會將輸出電壓穩定在設定值。

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

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

4、電路的優缺點

優點：輸出過壓保護值可以精確設置。

缺點：相對穩壓管鉗位方式成本稍高一些。

5、應用的注意事項：

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

過壓保護自鎖控制電路

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

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

A、鉗位型：當反饋失效時，通過過壓鉗位電路將輸出電壓鉗位在一個定值。

B、間歇保護型：當反饋失效時，通過保護電路使輸出電壓來回重啟，輸出電壓的最高點為過壓保護點。

C、自鎖型：當輸出電壓達到過壓保護點時，電路動作，關閉PWM使模塊無輸出。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）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

上圖中為隔離的自鎖型控制電路。當過壓保護信號CONTROL端給出一個高電平時，U1中的三極管導通，VCC為整個電路的供電端。Vcc經R5給Q2一個基極電流，Q1導通并進入飽和狀態，SHUT端被Q2拉至低電平，PWM關閉電源無輸出。Q2同時控制Q1的導通。當 Q2導通時，Q1的基極電流經R2到地，Q1導通，經R3再提供一個基極電流給Q2，維持Q2的導通。Q1及R1、R2、R3構成了Q2的正反饋電路。

4、電路的優缺點

優點：可有效的進行自鎖保護，整個電路等效于一個可控硅。

缺點：整個電路需要一個固定的Vcc。當PWM電源端無供電時，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人值守的電源系統里。

過溫保護電路

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

該電路屬于過溫保護電路，但溫度高于設定的保護點時，關閉模塊輸出，當溫度恢復后自動開啟模塊。

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理):

穩壓管給U103MAX6501提供5V電壓，溫度正常時，U103的五腳輸出高電平，當溫度超過保護點時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、電路的優缺點

該電路的優點：電路簡單，精確度高。

缺點：成本較高。

5、應用的注意事項：

5.1  MAX6501的3腳和1腳相連時，回差溫度是10℃，當其3腳和地相連時，回差溫度是2℃。

5.2  MAX6501的供電電壓不能超過7V，否則會損壞。

5.3  MAX6501一定要放置在最熱部分的附近。

過溫保護電路-熱敏電阻

1、概述（電路類別、實現主要功能描述）：

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，從而實現運放的翻轉控制PWM芯片的輸出，進而將模塊關閉。

2、電路組成（原理圖）：

3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現原理，關鍵參數計算分析)：

R99熱敏電阻是負溫度系數熱敏電阻，常溫時，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端無影響，模塊正常工作。

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

模塊關閉輸出后（過溫保護），基板溫度會降低，R99阻值會增大，運放的負輸入會降低，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，將運放的基準變低，拉開運放正負輸入的電壓間距，從而實現溫度回差。比如基板溫度90℃時保護，80℃時開啟。

4、關鍵參數計算分析

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  考慮容差時的計算見下表：

溫度回差=82.6-77.3=5.3℃

5、電路的優缺點

優點:   溫度保護點及溫度回差很容進行調整

缺點： 溫度準確度偏低

電路比采用溫度開關略復雜

溫度保護時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，不過這可以在設計時解決，比如基板溫度在90℃保護，實際板上器件最高溫度已達130℃，就可以適當調整溫度保護點，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熱器件附近。

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