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开关电源输出保护策略

应当仔细设计电源输出的保护策略,以满足最终产品的使用和功能要求。虽然这些电路只有当系统发生异常时才会起作用,但不要因保护功能的作用而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害。设计者需要研究负载的特性、其可能发生失效模式和原因,以及超过什么极限会引起进一步损坏。

所有的开关电源设计中,对负载的保护以及因负载失效而对电源的保护是设计中需要考虑的很重要的方面。预计电源和负载可能发生的失效情况也很重要。在军用产品设计中,经常要求做一种称为失效模式和影响分析的工作。在这项工作中,每一部分电路先假设成开路故障,然后再假设成短路故障的情况。在这种情况下,分别分析每种故障对电路其他部分会产生怎样的影响。这样预告估计故障,会使电源的设计更加可靠。这也是发生输入异常和电源负载电路故障时,电源设计者给负载电路提供保护所要做的工作。保护策略中,经常采用多个保护电路级联的方式,以保证保护电路本身发生异常时,可以提供冗余保护。通常用熔断器呀断路器提供这种备用功能。

在电源和能量传送系统中使用的保护方法,要慎重考虑产品的最终用户和产品的功能,也要反过来考虑产品的维修方法。如果产品定期有维护人员对电路进行维护,则电路反过来考虑产品的维修方法。如果产品定期有维护人员对电路进行维护,则电路中要有断路器、自引导启动电路、过电流反馈电路。如果产品功能要求不严,就不需要这些功能,而只需熔断器、过电流关断型的启动电路,或加上过电流保护或快速断路电路就可以了。有些保护方法在发生保护后需要把装置送到维修站检查后才能重新使用。这些保护方法可以分成下面三种:

1.失效后要维修(熔断器、熔断电阻器等)。
2.失效后会恢复(断路器、限流环节、限压保护电路等)。
3.失效后关断,但在故障消失后会恢复(过电流关断型启动电路等)。

选择最合适的保护电路,将它们结合在一起,会使产品性能提高,因而可以提高产品的知名度和销售量。

过电流保护有三种基本类型。电流型控制或一次峰值电流控制器,在电路“轻微”短路时,限制输出功率,但最后可能导致严重短路情况。当发生过电流故障时,呈现为负载阻抗越来越小,输出电压减小,但输出电流继续增大,这可能会烧坏电路板上的线路和器件。降低输出电压的方法可以与故障关断型的电路相结合。恒电流限制方法是通过把电流检测电阻上电压放大,并通过与参考电压的比较来实现。当超过电流保护值时,负载再增大,输出的电流将被限制住。过电流反馈限制电路是用输出电压的一小部分作为过电流故障的上限参考值。当通过电流检测电阻的电流超过电流上限值时,输出电压被减少,于是输出电流也减少,这就可以防止负载电路烧坏。

输出端的过压保护有两种方法:强制法和过电压阻碍法。强制方法是通过过电压钳位和快速断路来实现的。强制法是假定电源供电失效时,无法限制负载电流

过电压阻碍法的方案用在假定电源继续工作,但电压反馈环开路,或其中的一个输出端轻载,电压超过额定的最大值这些情况。这些方法每个输出有一个单独的比较器或晶体管和连到输出端的电阻分压器。

保护方案的选择与经济成本和布板空间有关。设计者可以发挥自己的创造性来设计保护电路,但要仔细检查在所有工作条件下的情况。


本文节选自《开关电源设计指南》,由镭之源激光电源收集整理。
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