开关电源过流保护方式比较分析

　　引言

　　电源作为一切电子产品的供电设备，除了性能要满足供电产品的要求外，其自身的保护措施也非常重要，如过压、过流、过热保护等。一旦电子产品出现故障时，如电子产品输入侧短路或输出侧开路时，则电源必须关闭其输出电压，才能保护功率MOSFET和输出侧设备等不被烧毁，否则可能引起电子产品的进一步损坏，甚至引起操作人员的触电及火灾等现象，因此，开关电源的过流保护功能一定要完善。

　　1  开关电源中常用的过流保护方式

　　过电流保护有多种形式，如图1所示，可分为额定电流下垂型，即フ字型；恒流型；恒功率型，多数为电流下垂型。过电流的设定值通常为额定电流的110％～130％。一般为自动恢复型。

　　图1中①表示电流下垂型，②表示恒流型，③表示恒功率型。

　　

　　图1　　过电流保护特性

　　1.1  用于变压器初级直接驱动电路中的限流电路

　　在变压器初级直接驱动的电路（如单端正激式变换器或反激式变换器）的设计中，实现限流是比较容易的。图2是在这样的电路中实现限流的两种方法。

　　图2电路可用于单端正激式变换器和反激式变换器。图2（a）与图2（b）中在MOSFET的源极均串入一个限流电阻Rsc，在图2（a）中， Rsc提供一个电压降驱动晶体管S2导通，在图2（b）中跨接在Rsc上的限流电压比较器，当产生过流时，可以把驱动电流脉冲短路，起到保护作用。

　　图2（a）与图2（b）相比，图2（b）保护电路反应速度更快及准确。首先，它把比较放大器的限流驱动的门槛电压预置在一个比晶体管的门槛电压Vbe更 精确的范围内；第二，它把所预置的门槛电压取得足够小，其典型值只有100mV～200mV，因此，可以把限流取样电阻Rsc的值取得较小，这样就减小了 功耗，提高了电源的效率。

　　

　　（a）晶体管保护

　　

　　（b）限流比较器保护

　　图2　　在单端正激式或反激式变换器电路中的限流电路

　　当AC输入电压在90～264V范围内变化，且输出同等功率时，则变压器初级的尖峰电流相差很大，导致高、低端过流保护点严重漂移，不利于过流点的一致 性。在电路中增加一个取自＋VH的上拉电阻R1，其目的是使S2的基极或限流比较器的同相端有一个预值，以达到高低端的过流保护点尽量一致。

　　1.2  用于基极驱动电路的限流电路

　　在一般情况下，都是利用基极驱动电路把电源的控制电路和开关晶体管隔离开来。变换器的输出部分和控制电路共地。限流电路可以直接和输出电路相接，其电路如图3所示。在图3中，控制电路与输出电路共地。工作原理如下：

　　

　　图3　　用于多种电源变换器中的限流电路

　　电路正常工作时，负载电流IL流过电阻Rsc产生的压降不足以使S1导通，由于S1在截止时IC1=0， 电容器C1处于未充电状态，因此晶体管S2也截止。如果负载侧电流增加，使IL达到一个设定的值，使得ILRsc=Vbe1＋Ib1R1，则S1导通，使 电容器C1充电，其充电时间常数τ= R2C1，C1上充满电荷后的电压是VC1=Ib2R4＋Vbe2。在电路检测到有过流发生时，为使电容器C1能够快速放电，应当选择R4

　　1.3　无功率损耗的限流电路

　　上述两种过流保护比较有效，但是Rsc的存在降低了电源的效率，尤其是在大电流输出的情况下，Rsc上的功耗就会明显增加。图4电路利用电流互感器作为检测元件，就为电源效率的提高创造了一定的条件。

　　图4电路工作原理如下：利用电流互感器T2监视负载电流IL，IL在通过互感器初级时，把电流的变化耦合到次级，在电阻R1上产生压降。二极管D3对脉 冲电流进行整流，经整流后由电阻R2和电容C1进行平滑滤波。当发生过载现象时，电容器C1两端电压迅速增加，使齐纳管D4导通，驱动晶体管 S1导通，S1集电极的信号可以用来作为电源变换器调节电路的驱动信号。

　　

　　图4　　无功耗限流电路

　　电流互感器可以用铁氧体磁芯或MPP环型磁芯来绕制，但要经过反复实验，以确保磁芯不饱和。理想的电流互感器应该达到匝数比是电流比。通常互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3）。具体绕制数据最后还要经过实验调整，使其性能达到最佳状态。