线性电源过压保护的常见类型有哪些?

2024-01-17

尽管现代电源现在非常可靠,但它们总是有很小但真实的可能性发生故障。

电源可能以多种方式发生故障,一种特别令人担忧的可能性是线性电源的串联调整元件(即主传输晶体管或 FET)可能会发生短路。

如果发生这种情况,正在供电的电路上可能会出现非常大的电压,通常称为过电压,从而对整个设备造成灾难性损坏。

通过在电子电路设计阶段以过压保护的形式添加一些额外的保护电路,可以防止这种不太可能但灾难性的可能性。

大多数为高价值设备非常可靠运行而设计的电源都会在电子电路设计中加入某种形式的过压保护,以确保任何电源故障都不会对供电设备造成损坏。这既适用于线性电源,也适用于开关模式电源。

有些电源可能没有过压保护,这些电源不应用于为昂贵的设备供电 – 可以做一些电子电路设计,开发一个小型过压保护电路,并将其作为额外项目添加。

过压保护基础知识

电源故障的方式有很多种。然而,要更多地了解过压保护和电子电路设计问题,很容易举一个使用非常简单的齐纳二极管和串联传输晶体管的线性稳压器的简单例子。

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使用齐纳二极管和发射极跟随器的基本串联稳压器

虽然更复杂的电源可提供更好的性能,但它们也依赖于串联晶体管来传递输出电流。主要区别在于稳压器电压施加到晶体管基极的方式。

通常,输入电压使得串联稳压器元件两端的电压下降几伏。这使得串联传输晶体管能够充分调节输出电压。

通常,串联传输晶体管上的压降相对较高 – 对于 12 伏电源,输入可能更高 18 伏,以提供所需的调节和纹波抑制等。

这意味着稳压器元件中可能会有大量的散热,再加上输入端可能出现的任何瞬态尖峰,这意味着总是存在故障的可能性。

晶体管串联传输器件通常在开路条件下失效,但在某些情况下,晶体管可能会在集电极和发射极之间发生短路。对于FET,等效值是漏极和源极之间的短路。

如果集电极和发射极之间发生短路,或者FET漏极和拉极之间发生短路,则稳压器的输出端会出现完全未稳压的输入电压。

如果输出端出现全电压,则可能会损坏所供电电路中的许多IC。在这种情况下,电路很可能超出经济修复范围。

开关稳压器的工作方式非常不同,但在某些情况下,电源的输出端可能会出现全输出。

对于线性稳压电源和开关模式电源,始终建议采用某种形式的过压保护。

过电压保护的类型

与许多电子技术一样,有几种方法可以实现特定功能。过压保护也是如此。

可以使用几种不同的技术,每种技术都有自己的特点。在电子电路设计阶段确定使用哪种方法时,需要权衡性能、成本、复杂性和操作模式。

SCR撬棍过压保护

顾名思义,如果遇到过压情况,撬棍电路会在电源输出端短路。这会使输出线对地短路。

通常使用晶闸管,即 SCR,因为它们可以切换大电流并保持导通状态,直到任何电荷分散。晶闸管可以连接回保险丝,保险丝熔断并隔离稳压器,使其免受任何进一步的电压影响。

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晶闸管撬棍过压保护电路

在这种电子电路设计中,选择齐纳二极管时,其电压高于输出的正常工作电压,但低于可能发生损坏的电压。

在这种状态下,没有电流流过齐纳二极管,因为尚未达到其击穿电压,并且没有电流流入晶闸管的栅极,并且晶闸管保持关断状态。电源将正常运行。

如果电源中的串联传输晶体管发生故障,电压将开始上升 – 单元中的去耦将确保它不会立即上升。

当它上升时,它将上升到齐纳二极管开始导通的点以上,电流将流入晶闸管的栅极,导致其触发。

当晶闸管触发时,它会将电源的输出短路到地,防止损坏其供电的电路。

这种短路也可用于熔断保险丝或其他元件,断开电压调节器的电源并隔离设备免受进一步损坏。

通常,从晶闸管的栅极到地放置一些小电容器形式的去耦,以防止来自单元电源的尖锐瞬变或射频进入栅极连接并导致杂散触发。

但是,该电容器不应做得太大,因为它可能会在实际故障情况下减慢电路点火速度,并且保护可能太慢。

电压箝位过压保护

另一种非常简单的过压保护形式使用一种称为电压钳位的方法。在最简单的形式中,它可以通过在稳压电源的输出端放置一个齐纳二极管来提供。

如果选择齐纳二极管电压略高于最大电源轨电压,则在正常情况下它不会导通。如果电压上升过高,则它将开始导通,将电压箝位在略高于轨电压的值。

如果稳压电源需要更高的电流能力,则可以使用带有晶体管缓冲器的齐纳二极管。这将增加简单齐纳二极管电路的电流能力,其系数等于晶体管的电流增益。由于该电路需要功率晶体管,因此可能的电流增益水平将很低 – 可能为 20 – 50。

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齐纳二极管过压箝位

(a) – 简单的齐纳二极管,(b) – 带晶体管缓冲器的更高电流

电压限制

当开关模式电源需要过压保护时,由于功耗要求以及组件的尺寸和成本可能,SMPS、钳位和撬棍技术的应用不太广泛。

幸运的是,大多数开关模式稳压器在低电压条件下失效。然而,在过压情况下,通常谨慎的做法是设置电压限制功能。

这通常可以通过检测过压条件并关闭转换器来实现。这尤其适用于DC-DC转换器。在实现这一点时,有必要在主IC稳压器之外加入一个检测环路 – 许多开关模式稳压器和DC-DC转换器使用芯片来实现大部分电路。

使用外部检测环路非常重要,因为如果开关模式稳压器芯片损坏导致过压情况,检测机制也可能损坏。

显然,这种形式的过压保护需要特定于特定电路和所用开关模式电源芯片的电路。

这三种技术都得到了应用,可以提供有效的电源过压保护。每种方法都有其自身的优点和缺点,需要根据给定的情况来选择技术。

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