開關電源過電流保護電路設計研究

馬健

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

開關電源在一些典型的電路系統中具有至關重要的作用，換個角度來講，開關電路可以相當于人類的心臟。開關電源在源源不斷地為電路系統提供能量的同時，還可以對保護系統避免受到來自外部和內部的影響與損壞，比如，浪涌電流、雷擊電流和由于系統內部故障造成的電力電源損害現象，這就需要我們在設計電源時進行保護電路的設計。在進行開關電源的實際設計中，負載保護和過負載時的電源保護是在設計中不可缺少的存在。本文簡要地依據開關電源的設計原理和實際情況，對恒功率與恒電流控制的過電流保護電路進行深入分析，并且對其用處與特點進行闡述，并且找到了一種應用于瞬態過載情況下的延時過載保護電路。經過研究表明，如果電路在保護電路的情況下，開關元器件基本不能具備開關能力，這就為峰值狀態下的負荷電源過載保護電路的設計找到了一個完美的突破口。

1 開關電源

開關電源主要是利用當代電子電力技術進行對開關的控制以及開關時間比的控制，它是一種可以有效保證可以輸出穩定電壓的一種開關電源。開關電源一般都是由許多脈沖寬度(PWM)構成，來控制IC 與MOSFET。L 利用開關電源和線性電源作比較我們可以發現，二者相似的方面就是他們的成本都是隨著輸出功率的增加而增大的。如果二者位于同一個功率節點上時，線性電源的成本要略高于開關電源的成本，這個節點就稱為成本反折點。伴隨著電力電子技術的日益發展與革新，開關電源技術也隨著不斷嫻熟與創新。這就會使電源的成本反轉點向著低輸出端慢慢靠近，從而促進了開關電源的進步與發展。開關電源的質量指標中最主要的就是安全了。所以，在開關電源在電子技術指標完善并且使用要求合格的情況下，仍可以在惡劣環境以及突發故障的條件下可以進行安全可靠的運作，這就要求必須有盡可能多的保護電路，例如，防浪涌電流和高電壓、欠壓、熱量過高、電路過大、短路等情況下的保護電路。并且，在同一種開關電源的電路中，不同種類的保護電路的設計一定要相互聯系與協調，這個問題一定要得到重視。

2 短路保護

開關電源在預先設定的輸出功率電平下，一般都會設計在安全運行范圍內，因此，應避免運行超過額定輸出電流，但有時會意外發生短路，這時需要對設備進行保護，以免造成永久性損壞。當前，限制電路可以最基本地保護電路。有一個輸出短路，NCP1230 可以快速響應關閉輸出，直到短路故障消除。本文設計的電路是將極限電路放在一次側。在短路保護電路的電阻（R）上，主電流峰值將有一個比例電壓降。R 電阻的大小是由電壓來控制的。如果確定了R 處的壓降達到了電源引腳電壓限制值3V 時，NCP1230 的驅動引腳就會立刻作出反應迅速停止電流的輸出，進而關閉電源的總輸出。相對來說，這種電路是一個快速、準確的限流電路。最重要的是，其限流值相對準確為3V，可以通過適當地減小電阻功率損耗的辦法，進一步提高電源的工作效率。

3 過載保護電路

在一般的開關電源中，所帶的負載的輸出電壓其容量總是有限的。如果發生輸出一側所帶負載遠遠大于電源設計時所允許的最大電流時，就一定要在設計過程中加入過載保護電路的部分，從而達到保護輸出一側整流管不被大電流損害的目的。其設計的主體就是應用了一個兩級運算放大器，電路中使用的運算放大器就是ST 公司的LM358。第一階段運算放大器采用一種特殊的差動放大電路,其中,第一組電阻值都是1kb,第二組的阻值都是324k,這時候，所有的輸出信號均為高電平，這就會使處于第一階段運算放大器以及第二階段的運算放大器的電路達到一個開環狀態。這時，它們的輸出信號將只有高、低電平兩個狀態。如果同一方向的輸入電壓遠大于參考電壓時，輸出端就會表現為高電平，二極管處于導通的狀態，進而觸發了OCP 信號，進行過載保護。當同相端輸入高電壓時，就會發生過載保護。過載保護電路輸出電流檢測電阻值可變、可變電阻器的值的大小主要由負載極值控制。由于要考慮此保護電路要在以后的生產實踐中進行應用，不同的電源產品，其過載保護點有很大可能會不一樣，這就要求我們在設計時要運用可變電阻，使過載保護點在相同的值上進行調整。

4 過電壓保護電路

過壓保護電路的主要功能就是當輸出電壓遠遠超過規定的量程時，電路就會立刻做出響應使輸出關閉，防止由于輸出電壓過大損壞外部負載(燒壞LCD 設備)。但是在實際應用上，大部分開關電源的問題都發生在“無輸出”的情況下，那么就會產生一個疑問，就是為什么要進行過電壓保護電路呢?原因如下。首先，在輸出可調的開關電源中，可以使用過壓保護電路來防止輸出的意外超調。其次，當過壓情況發生時，必須保證其在安全范圍內，即使這種情況不容易發生，所以只有添加了過壓保護電路，才能起到防患于未然的作用，可以最大程度地保證安全。通常情況下，開關電源類似于PC電源有多組輸出(+1，+5V，+3)。具有獨特的OVP 保護芯片，如DWA1O6、INs406 等。這種單組輸出電源目前還沒有專門的保護芯片，因此，要對其單獨設計相應的保護電路。

5 啟動限流保護

開關電源在進行一次整流的過程中，其電路內部將擁有大容量的濾波電容，整流管在電源運行時會利用這些大電容進行充電，促使整流管的極快的達到額定電流。從而一定程度上降低啟動電流限制(浪涌電流)，開關電源在一般情況下都會配有沖擊電路。電源運轉正常時,開關電源的變壓器的感應電壓12V，充電時C2(對電源接口只有充電時間常數等于(C2)，通過整流管傳導，整流器電流不再通過電阻，而是由反饋電路返回陰極的整流橋。換個角度講，在一般的工作狀態下，VD6 短路R2 以阻止R2 發電。R2 只在啟動時有效。采用晶閘管進行起動限流保護是一個絕佳的選擇，但由于其電路設計較為復雜，從電路成本以及電路簡捷等方面來考慮，用溫控電阻作啟動限流保護既經濟又簡單，而且安全可靠。

6 斷路過流保護

在一般情況下，預防電路發生過流最經濟、最實用的方法就是應用保險絲。保險絲保護主要有交、直流保險保護法。在由于意外情況發生負載電流時，電流往往會超過保險絲的熔點(熔斷系數一般為1.5)時，保險絲就被熔斷與擊穿，從而達到了過電流保護的目的。通常情況下，在電源電路剛接通的時候，因為其電路中存在的大電容會發生充電現象，這樣極容易產生大的浪涌電流，這些電路一般都是正常輸入電流的幾倍多，極容易使保險絲熔斷，從而導致判斷失誤，這就是這種方式的主要缺點。

7 溫度檢測與保護電路

在開關電源內部會擁有許多的功率發射器，這些功率發生器就會產生許多的熱量，主要是由于功率消耗造成的，這就會需要散熱的電路設計。倘若電源散熱器溫度過高時，將會嚴重影響開關電源的性能，還會影響電源的使用安全。散熱電路中的風機啟動功率一般為33V，散熱器的溫度主要由NTC 來進行檢測。伴隨著電源的應用其內部溫度逐啟動并且逐漸加速。當風機達到最大轉速時，就會收到電源外部環境溫度的作用，電源內的溫度不能維持穩定，或者是風機電路發生故障，風機不可以正常運行，就會導致內部電源供電時溫度過高而損害電源。所以，為了避免此類事情的發生，就必須要應用超高溫保護電路(OTP)。超高溫保護電路(OTP)的主要功能是當NTC 減小到一定值時，會導致比較器發生翻轉，從而使OTP 輸出較低，這樣就達到了保護電源的目的。

8 結語

電源有各種各樣的應用場合，要選擇與之相應的保護策略才可以提高產品的性能與質量。以本文列舉的各種保護電路的開關電源為例，從原理和實驗兩方面深入分析了恒功率控制和恒流控制的過載保護電路，為過電流電源的保護電路的設計帶來了全新的見解。