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开关电源各类保护电路实例分析
接线图
2023年01月04日 22:04 336
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“在电源系统中，当反馈回路失效时，输出电压不受控，电压升高超出规定范围，此时过高的输出电压有可能造成后续电器设备的损坏。为解决这问题，通常在电源中增加过压保护电路。过压保护的方式一般有三种。
输入欠压保护电路一
01 概述
该电路属于输入欠压电路，当输入电压低于保护电压时拉低控制芯片的供电Vcc，从而关闭输出。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
当电源输入电压高于欠压保护设定点时，A点电压高于U4的Vref，U4导通，B点电压为低电平，Q4导通，Vcc供电正常;当输入电压低于保护电压时，A点电压低于U4的Vref，U4截止，B点电压为高电平，Q4截止，从而Vcc没有电压，此时Vref也为低电平，当输入电压逐渐升高时，A点电压也逐渐升高，当高于U4的Vref，模块又正常工作。R4可以设定欠压保护点的回差。
04 电路的优缺点
优点：电路简单，保护点精确
缺点：成本较高。
05 应用的注意事项
使用时注意R1，R2的取值，有时候需要两个电阻并联才能得到需要的保护点。还需要注意R1，R2的温度系数，否则高低温时，欠压保护点相差较大。
输入欠压保护电路二
01 概述
输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时，关闭输出;当输入电压升高到设定恢复值时，输出自动恢复正常。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
输入电压在正常工作范围内时， Va大于VD4的稳压值，VT4导通，Vb为0电位，VT5截止， 此时保护电路不起作用;当输入电压低于设定欠压值时，Va小于VD4的稳压值，VT4截止，Vb为高电位，VT5导通，将COMP(芯片的1脚)拉到0电位，芯片关闭输出，从而实现了欠压保护功能。 R21、VT6、R23组成欠压关断、恢复时的回差电路。当欠压关断时,VT6导通，将R21与R2并联，
;恢复时，VT6截止，
，回差电压即为(Vin’-Vin)。
04 电路的优缺点
优点：电路形式简单，成本较低。
缺点：因稳压管VD4批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。
05 应用的注意事项
VD4应该选温度系数较好的稳压管，需调试的元件如R2应考虑多个并联以方便调试。
输入过压保护电路一
01 概述
输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障(开环或其他)导致输出电压高于稳压值时，此电路会将输出电压钳位在设定值。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
输出过压时，加在VD3上的电压大于其稳压值时，VD3导通，输出电压被钳位，同时通过IC4向原边反馈。
04 电路的优缺点
优点：电路形式简单，成本较低。
缺点：因稳压管VD3批次间稳压值的差异，导致过压钳位点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。
05 应用的注意事项
VD3应该选温度系数较好的稳压管，需调试的元件如R32应考虑多个并联以方便调试。
当过压保护电路起作用时，电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路，过压保护点应大于输出电压上调最大值。
输入过压保护电路二
01 概述
输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障(开环或其他)导致输出电压高于正常值时，此电路会将输出电压稳定在设定值。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
输出过压时，Va>Vref，IC3导通，通过IC4向原边反馈,输出电压稳定在设定的过压保护值。
04 电路的优缺点
优点：输出过压保护值可以精确设置。
缺点：相对稳压管钳位方式成本稍高一些。
05 应用的注意事项
当过压保护电路起作用时，电路处于非正常工作状态。对于有输出电压上下调功能的电路，过压保护点应大于输出电压上调最大值。
过压保护自锁控制电路
01 概述
在电源系统中，当反馈回路失效时，输出电压不受控，电压升高超出规定范围，此时过高的输出电压有可能造成后续电器设备的损坏。为解决这问题，通常在电源中增加过压保护电路。过压保护的方式一般有三种。
A、钳位型：当反馈失效时，通过过压钳位电路将输出电压钳位在一个定值。
B、间歇保护型：当反馈失效时，通过保护电路使输出电压来回重启，输出电压的最高点为过压保护点。
C、自锁型：当输出电压达到过压保护点时，电路动作，关闭PWM使模块无输出。在排除故障后再重启电源输出才正常供电。下述电路为自锁型控制电路。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
上图中为隔离的自锁型控制电路。当过压保护信号CONTROL端给出一个高电平时，U1中的三极管导通，VCC为整个电路的供电端。Vcc经R5给Q2一个基极电流，Q1导通并进入饱和状态，SHUT端被Q2拉至低电平，PWM关闭电源无输出。Q2同时控制Q1的导通。当 Q2导通时，Q1的基极电流经R2到地，Q1导通，经R3再提供一个基极电流给Q2，维持Q2的导通。Q1及R1、R2、R3构成了Q2的正反馈电路。
04 电路的优缺点
优点：可有效的进行自锁保护，整个电路等效于一个可控硅。
缺点：整个电路需要一个固定的Vcc。当PWM电源端无供电时，也需保证上图中VCC电压的存在。
05 应用的注意事项
1.此电路要有持续的供电自锁才有效。
2.此电路不宜使用在无人值守的电源系统里。
过温保护电路
01 概述
该电路属于过温保护电路，但温度高于设定的保护点时，关闭模块输出，当温度恢复后自动开启模块。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
稳压管给U103MAX6501提供5V电压，温度正常时，U103的五脚输出高电平，当温度超过保护点时U103的五脚输出低电平，当温度恢复后，U103的五脚输出高电平。
04 电路的优缺点
优点：电路简单，精确度高。
缺点：成本较高。
05 应用的注意事项
1. MAX6501的3脚和1脚相连时，回差温度是10℃，当其3脚和地相连时，回差温度是2℃。
2. MAX6501的供电电压不能超过7V，否则会损坏。
3. MAX6501一定要放置在最热部分的附近。
过温保护电路-热敏电阻
01 概述
本电路采用热敏电阻检测基板温度，热敏电阻阻值随基板温度变化而变化， 热敏电阻阻值的变化导致运放输入电压变化，从而实现运放的翻转控制PWM芯片的输出，进而将模块关闭。
02 电路组成(原理图)
03 工作原理分析
R99热敏电阻是负温度系数热敏电阻，常温时，R99=100k，R99与R94的分压0.45V为U2运放的负输入，远低于运放的正输入2.5V(R23与R97分压)，因此运放的输出是高电平，对LM5025的SS端无影响，模块正常工作。
随着基板温度升高，R99电阻阻值减小，当减小到一定值时，使得运放的负输入大于正输入时，运放输出低电平，将LM5025的SS拉低，从而关闭模块输出;温度保护点可以适当调整R94，R23，R97的阻值而相应地调整。
模块关闭输出后(过温保护)，基板温度会降低，R99阻值会增大，运放的负输入会降低，为使运放的正常翻转，引入电阻R98，原理是运放输出低后，R98相当于与R97并联，将运放的基准变低，拉开运放正负输入的电压间距，从而实现温度回差。比如基板温度90℃时保护，80℃时开启。
04 关键参数计算分析
1. 运放正输入电压：VR97=Vref2=5/(1+R23/R97)=5/(1+10/10)=2.5V
2. 运放负输入电压：VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94)+0.007,
3. 得出温度保护时热敏电阻的阻值：R99(t)=(Vref*R24/(Vref*R97/(R23+R97)-0.007))-R94
4. 考虑容差时的计算见下表：
5. 过温保护时，R99的值
6. R99-SDNT2012X104J4250HT(F)是负温度系数的热敏电阻，25°C时100k，过温保护时阻值10k左右(见上表)，计算温度为：
Rt=R*e(B(1/T1-1/T2)) T1=1/(ln(Rt/R)/B+1/T2))
T2:常温25°C，上式中T2=273.15+25=298.15;B：4250±3%;R：25°C时的电阻值，100k，计算出的T1值也是加了273.15后的值，因此下表中t1=T1-273.15，是摄氏度。Rt：温度变化后的阻值，10k，9.704k，10.304k，见上表。
7. 回差
运放输出低后，电阻R98(51k)就并在R97上，将基准拉低，新的基准电压 Vref1=Vref*(R98//R97)/(R23+R98//R97)=2.28V 达到2.44V时，R99的阻值R99=Vref*R94/Vref1-R94=11.9k R99达到10.49k时，温度按下表计算
温度回差=82.6-77.3=5.3℃
05 电路的优缺点
优点: 温度保护点及温度回差很容进行调整
缺点： 温度准确度偏低
电路比采用温度开关略复杂，温度保护时反映的是热敏电阻附近的基板温度，不能反映模块的最高器件的温度，不过这可以在设计时解决，比如基板温度在90℃保护，实际板上器件最高温度已达130℃，就可以适当调整温度保护点，从而起到保护作用。
06 应用的注意事项
尽量将热敏电阻放置在发热器件附近。
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