开关电源过流保护电路设计分析

关键词：开关电源；过流保护

1开关电源过流保护电路设计研究方案

1.1基于继电器电源过流保护电路设计

继电器作为一种过电控制器件是开关电源过流保护设计中的重要组成部分。继电器就是将电路中多余的电流储存和变化的电器，通过这样的控制系统可以很好的保护电路中电流的大小，起到自动调节、转换电路的作用。继电器在使用过程中往往和光电隔离器、达林顿管一起使用，这样可以加强开关电源保护装置的保护效果。当光电隔离器和继电器一起使用时主要是针对开关管的漏级电流达到2A的时候，自动停止脉宽输出，保护电路核心芯片和器件的目的。因此电阻需选择高精度的电阻，这样能准确的保证电流一旦超过2A光电隔离器就迅速接通保护电路，同样一旦电流降低到2A以下，脉宽又会重新启动恢复自动供电，电源重新正常工作。基于达林顿管和继电器的过流保护电路设计与光电隔离器的效果差不多同样也是阻断电流过大的情况出现，虽然本次设计采用继电器作为开断器件，存在着开断速度慢，对电流的冲击存在影响但是仍然具有可靠、稳定的优点。

1.2基于IGBT的Vce过流保护电路设计

利用IGBT过流时Vce增大的原理进行的保护电路，用于专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好的完成降栅极电压和软关断，并具有内部延时功能，以消除干扰产生的误动作。含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极，而是经快恢复二极管VD1，通过比较器U1B输出接至EXB841的6脚，其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。如果发生过流，驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

2短路保护电路

开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源普遍使用的开关器件。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几微妙至几十微妙。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率di/dt过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。在短路电流出现时，为了避免关断电流的di/dt过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在设计降栅压保护电路时，要正确选择栅压下降幅度和速度，如果栅压下降幅度大，栅压下降速度不易过快，一般可采用2us下降时间的软降栅压，由于栅压下降幅度大，集电极电流较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果栅压下降幅度较小，降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。

2.1过载保护电路

开关电源所带的负载输出电压是有限的，因此如果发生输出一侧所带负载电压远远大于电源设计的所允许的最大电流时，就需要在开关电源过流保护电路加入过载保护装置了，从而进一步保护电路不被大电流损害的目的。设计过载保护电路时首先是运用了一个两级运算放大器作为主体，第一阶段使用一种特殊的差动放大电路，电阻值可以设置在1k左右不需要设置得很大，这样保证电压输入的平稳，第二阶段的电阻值升高到324k，这时电压就会升高输出高电平，这样的设计一旦出现同一方向的输入电压高于参考电压就出触发OCP信号对电路进行过载保护。通过这样的过载保护电路方法电阻值可根据检测到的输出电流改变，可变电阻器的大小主要有负载极值控制。过载保护电路得到广泛运用主要是因为在不同的电源产品中，过载保护点有可能会不一样，可变电阻可以很好的将保护电路运用到不同的电源产品中。只需改变过载保护点就可以广泛的运用过载保护电路了。

2.2过电压保护电路

输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5V的开关稳压器来说,它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时,开关稳压器的开关三极管突然损坏,输出电压就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值,瞬时造成器件被击穿。常用的方法是晶闸管短路保护。最简单的过电压保护电路如图4所示，当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为5～10us。它的缺点是动作电压是固定的,温度系数大,动作点不稳定。另外,稳压管存在着参数的离散性,型号相同但过电压起动值却各不相同,给调试带来了困难。

3结语

本文充分介绍了电源过流电路设计方案和特点以及一些常见的开关电源过流保护方法，供电路设计者参考寻找出更加适合开关电源过流保护设计的方案来充分保护过流电路。近年来，开关电源应用广泛，因此在对开关电源过流电路保护设计中要进行高要求的可靠性研究来保证开关电源的可靠性。一旦开关电源出现了故障，保护电路可以保护电源故障不对电子产品进行更进一步的损伤，如果电源保护装置一旦出现故障就会引起电子产品的进一步损坏甚至更严重的后果，因此过流保护功能一定要完善。

参考文献

[1]马健.开关电源过电流保护电路设计研究[J].中国设备工程,2019(15):123-124.

[2]熊浩.开关电源过流保护电路设计[J].江苏科技信息,2019,36(01):49-51+62.

[3]李艳丽.开关电源中保护电路的研究与设计[D].西南交通大学,2015.

[4]杨靖,冯全源.一种恒定导通时间的开关电源过流保护电路设计[J].微电子学,2014,44(03):313-316.

[5]于月森.本质安全型开关电源基础理论与应用研究[D].中国矿业大学,2012.

作者：吕祥 韩耀锋 郭建 张博伦 孙强 郭俊超 侯风乾 李龙骧 单位：西安应用光学研究所