直流稳压电源保护电路

1直流稳压电源保护电路的分析冯燕(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)摘要：本文从实例出发，对直流稳压电源中常用的保护电路进行研究，分析其工作原理，并对元件参数进行计算。最后讨论了稳压电源的保护系统，提出保护系统设计的原则和整机保护的措施。关键词：稳压电源；保护电路；整机保护中图分类号：TM92文献标识码：BAnalysisofProtectingCircuitofDCVoltage-StabilizedSourceFengYan(FacultyofAutomationGuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou,Guangdong，510006)Abstract：Inthispaper,itstudiedsomecommonprotectingcircuitsofDCvoltage-stabilizedsourcefromexamples.Italsoanalyzedtheworkingprinciples,andcalculatedtheparametersofelements.Intheend,itdiscussedtheprotectionsystemofDCvoltage-stabilizedsourceandputforwardtheprinciplesofprotectionsystemdesignandthemeasureofthewholemachineprotecting.keywords：voltage-stabilizedsource;protectingcircuits;wholemachineprotecting1引言直流稳压电源在工业生产、科学研究、教育与教学等部门广泛使用，是各种工业设备不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到设备能否安全可靠的工作。为使直流稳压电源能安全、长期工作，其保护电路是至关重要的。本文从实例出发，对直流稳压电源常用的保护电路进行研究，分析其工作原理，并对元件参数进行计算。最后讨论了稳压电源的保护系统，提出保护系统设计的原则和整机保护的措施。接下来本文就直流稳压电源常见的保护电路：过流保护电路，过热保护电路，过压保护电路[1-4]进行具体分析。2过流保护电路过流保护主要是使直流稳压电源在输出电流超过规定值时，能保护稳压电源的调整管(或芯片)不被损坏，常用的电路有：限流型保护电路、减流型保护电路、截流型保护电路。2.1限流型保护电路这是一种最简单的保护电路，其原理如图1所示：图中T1为调整管，T2为限流保护管，Rsc为限流检测电阻。输出电流一旦过载，Io增加到某一数值时，在Rsc上电压降达到T2的导通电压，即IoRsc≥Vbe2时T2导通，对调整管的推动电流Ib1分流，限制输出电流Io的继续增加。设T2为硅保护管，其发射结导通电压Vbe2一般为0.6V左右，若要求限制的最大电流为Iomax，则可确定限流电阻：Rsc=max6.0Io，此电阻的最大功耗为0.6Iomax(W)。例1：某稳压电源Iomax=6A，则限流检测电阻选择：Rsc=0.1Ω，功率Pmax=4W。例2：Vi=15V，V0=10V,调整管的压降为4.4V，若PCM=50W，则Iomax=PCM/(Vi-2V0-0.6)≈11A，一旦输出端短路，即V0=0V，此时调整管的压降变为14.4V，按输出电流11A设计来计算，调整管的最大功耗PCM将达到14.4V×11A=158.4W，显而易见调整管无法承受要损坏，表明这种限流保护电路不能充分发挥稳压电源本身的潜力。这种保护电路主要用在输出电压较低，输出电流较小，要求不高的电源电路中，如学生实验用简易电源。同时这种过流保护电路设计简单，对电路参数要求不高，Rsc按公式计算值选择，T2用低频小功率硅管即可[4-5]。iVRscoV1R2RGND1T2T3R图1限流型保护电路图2分压减流型保护电路2.2减流型保护电路这是为了避免简单限流型保护电路的缺点而设计的另一类型保护电路，它能在过流情况下迅速减小输出电流，从而使调整管更加安全工作。如下图2所示是一种分压减流型保护电路，在图中通过电阻R1、R2在A点分压，使T2的发射结电压降为：scscbeRIRIVRRRV0002112)(+++−=(2-1)当Vbe2大0.6V时(设T2为硅管)，T2导通,并对T1的基极分流，从而限制了电流的增加，由式(2-1)可推出保护管T2开始起保护作用时的最大输出电流为：nRscnVoI6.0)1(max0+−=，式中212RRRn+=(2-2)由公式(2-2)可知：该电路正常工作时的输出电流与短路时输出电流不一样。当V0=0时，输出电流为nRscosI6.0=，它小于正常工作时的输出电流，故称为减流型保护电路。此时，max6.0)1(nIonVoscR+−=（2-3）这种保护电路的特点是：当输出端发生短路时，调整管的压降虽然增大，但此时输出电流反而减小了，只要合理选择212RRRn+=及电阻RSC，就能保证调整管不被损坏。例3：某稳压电源Vi=15V，V0=10V,PCM=50W，Iomax=10A，此调整管的压降为5V，若n=0.5，则max6.0)1(nIonVoscR+−==1.2Ω，其功率选择为：P=(Ios)2RSC。A3当输出端短路时(V0=0)，此时输出短路电流nRscosI6.0==1AIomax(10A)，调整管压降为15-1.2×1=13.8V，调整管功耗等于13.8V×1A=13.8W，远小于PCM=50W，故调整管不会被损坏。此种电源的保护电路主要用在各种家用电子产品的电源电路中，它能够在负载短路导致电流过大时起保护电源的作用，同时成本不高，电路制作也不复杂。设计时，RSC阻值及功率要求按上述计算公式得出，T2也可用低频小功率硅管[5-6]。2.3截流型保护电路这是一种当输出负载发生短路时，能使调整管输出电流减小至零，从而使调整管工作在截止状态，实现了真正的安全保护。如图3所示：当输出电流Io上升到所要求的保护点时，T2导通，进而T3也导通，从而使调整管T1基极注入电流减小而使输出电流也减小；同时T3的导通又使T2的正偏增加，进一步使调整管T1的基极电流下降，这样形成正反馈，直至调整管被完全切断。因为T2开始导通时，VZ+Vbe2=IomaxRsc，所以Rsc的选择原则为：大小：max2obezIVVscR+=，功率：P=(Iomax)2Rsc(2-4)例4：某稳压电源要求：Iomax=2A，若VZ=3.4V，Vbe2=0.6V，则：max2obezIVVscR+==2Ω，其功率为(Iomax)2Rsc=8W。这种保护电路的特点是：当输出电流超过规定值时，能够将稳压电源的调整管(或芯片)的工作被全部切断，保护了稳压电源不被损坏。iVRscoV1R2R1T2T3TZDGND6R1R2R3R4R5RoViV1T2T3T4TZD图3截流型保护电路图4过热保护电路这种电源的保护电路主要用在高精度的各种稳压电源、设备中，它的设计要求比较高，元件较多，电路相对复杂，安全性高。选管要求：T2用小功率管、T3应选用大电流管。3过热保护电路稳压电源调整管(或芯片)长期工作在大功率状态下，长时间使用或因工作在过压和过流时，很容易使它过热而损坏，因此实际稳压电源电路中必须加入过热保护电路。如图4所示是芯片过热保护电路，其中T3、T4为复合调整管，热敏元件T2、R3与Dz、R1、T1、R2构成过热保护电路。芯片温度正常时，T2截止；当芯片温度上升到某一限定值时，正温度系数电阻R3阻值增大，压降增加，而负温度系数的T2的be结正向压降下降，从而使T2导通，对调整管分流，输出电流减小，稳压器功耗受到限制，芯片温度被限定在一定范围内，保护了芯片不被过热损坏。由图4可知，T2的基射极间电压为：4)(13232bezbeVVRRRV−+=或2321)1(bebezVRRVV++=（3-1）设在给定的工作温度范围内：Vz、Vbe都与温度呈线性关系。即：Vz（T）=Vz+TATdTdVz−()（3-2）Vbe(T)=Vbe+dTbedV(T－TA)（3-3）Vz、Vbe分别表示室温T=25℃时的稳压管击穿电压和基射极电压，其关系式可写为：Vz+TATdTdVz−()=Vbe1+Vbe2+2dTdVbe(T-TA)+32RR(Vbe2+dTdVbe(T-TA))（3-4）这就是对电路进行过热保护设计的方程。例5：Vz=6.5V，dTdVz=+3.0mv/℃，dTdVbe=-2.1mv/℃，在TA=25℃时，ICQ1=10mA，Vbe1=Vbe2=0.7V，调整管基极的最大驱动电流为50mA，要求当芯片温度升高到175℃时要过热保护，即要求ICQ2=50mA。根据要求：∆T=T―TA=150℃，要切断调整管ICQ2=50mA，所对应的Vbe2=0.7V，代入过热保护设计方程可得：6.95=0.77+32RR×0.385，得32RR=16。而电阻(R2+R3)上的压降：Vz－Vbe1=6.5V－0.7V=5.8V，流过的电流IEQ1≈ICQ1=10mA，则R2+R3=580Ω，结合32RR=16，解得：R2=546Ω，R3=34Ω。这种保护电路主要用在大功率、热稳定性较高的稳压电源电路中。设计时R3一定要选择正温度系数电阻，T2一定选负温度系数的三极管，同时电阻R3、T2要靠近散热片。这种保护电路对元件要求也高，并且要有较高的电子工艺水平，因此，在实际装配、调试时要认真、细致。4过压保护电路这是一种防止电压过高，超过调整管(或芯片)最大承受电压，而导致调整管(或芯片)过压而损坏的保护电路。电路如图5所示：T1为开关管，R1、R2的串联分压，DZ为稳压二极管，R4为限流电阻，D1是可控硅，方框三端块为三端稳压芯片。过压保护工作原理：当输入电压正常时，由R1、R2的串联分压值小于DZ的击穿电压VZ，所以DZ截止，T1导通，输入电压加至三端稳压集成芯片，稳压电路正常工作；当输入电压超过某一规定值时，R2两端分压值大于DZ的反向击穿电压，DZ击穿后使D1导通，T1基极无偏压从而截止，T1断开，实现了过电压的保护。例6：设三端稳压块的最大输入端电压为30V，R1=20KΩ，R2=5KΩ，Vz=6V，当输入电压Vi30V时，R2两端电压为322RRVRi+Vz(6V)，DZ击穿后使D1导通，T1截止，电路断开，起到了保护稳压集成块的作用。这种保护电路主要用在输出电压比较大、且使用时市电电压不稳定的电子设备中，如各种可调稳压电源。5结论实际直流稳压电源电路中，可根据设计需要和电源的特点，遵循够用原则，选用几种保护方式加以组合,并按照上述计算的方法确定元件的参数，构成完善的保护系统。5对一个给定的直流稳压电源的整机保护系统，应遵循以下原则[7-8]：(1)把直流稳压电源中的开关三极管限制工作在直流安全工作区域之内。(2)在所要求的工作温度范围内，把直流开关稳压电源的输出电压、电流限制在所给定的技术指标之内。(3)要求保护电路本身的可靠性高、逻辑关系严密、电路最简单、元件最少。所以必须全面系统地考虑稳压电源各种保护措施，确保直流开关稳压电源的正常工作和高效率与高可靠性。1R3R2R4RZD1D1TGNDiVoV图5过压保护电路本文作者创新点：本文从实例出发，对直流稳压电源中常用的保护电路进行研究，给出电路图，分析其工作原理，并对元件参数进行计算及选择。参考文献：[1]邹怀虚．电源应用技术[M]．北京：科学出版社．1998．[2]张勇虎．电源保护电路的设计[J]．电子测量技术．2006(4)：129-130．[3]曹香凝，汪东旭，严利民.直流开关电源的研究[J].微计算机信息，2005，25（3）.[4]王斌．几种实用的直流开关电源保护电路[J]．电源世界．2006(6)：9-11．[5]LTC1696数据手册[M]．LinearTechnologyCorporation，2000．[6]]邹怀虚．开关电源副边整流管尖峰干扰与抑制方法[M]．北京：科学出