保護電路
鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素,而設(shè)計用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護電路。比如有過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等。
保護電路的類型
電力電子開關(guān)器件在選用時要留有一定的裕度,確保器件的安全可靠使用。同時還必須有保護電路,防止故障發(fā)生造成器件損壞。保護電路主要包括過流保護,過壓保護及過熱保護。
過流保護
過流保護通過在電路中串聯(lián)快速熔斷器實現(xiàn),適用于晶閘管和GTO,因為它們有較高的浪涌電流承受能力。對于MOSFET、GTR、IGBT,由于它們承受過流能力很低,因而必須有專門的過流保護電路,并要求過流保護電路在瞬間完成過流檢測、信號傳送,保護動作,在微秒級時間內(nèi)將電流限定在過載能力以內(nèi)。目前常用的方法有:監(jiān)控法,霍耳電流傳感器保護法。
過壓保護
多種原因會導(dǎo)致電力電子電路產(chǎn)生過電壓,如開關(guān)器件的關(guān)斷、電源開關(guān)的合斷等。由于電路中的寄生電感的存在,各種原因?qū)е碌碾娏魍蛔兙蜁a(chǎn)生電壓尖峰,從而造成過電壓。壓敏元件是實現(xiàn)過壓保護的主要方法,主要包括壓敏電阻和抗雷擊瞬態(tài)電壓抑制器。當(dāng)端電壓超過某一值時,壓敏電阻就會急劇減小,從而將瞬態(tài)過電壓抑制。
過熱保護
電力電子開關(guān)器件在工作時自身會消耗功率,如導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗等,這些損耗轉(zhuǎn)換為熱量,會使器件的結(jié)溫升高,導(dǎo)致器件工作不正常,甚至導(dǎo)致器件損壞。因此,在器件工作時,必須及時將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去,保證器件溫度在一個合適的范圍內(nèi),這就是散熱設(shè)計的主要內(nèi)容,它是電力電子電路設(shè)計的一個重要部分。
輸入欠壓保護電路
輸入欠壓保護電路一
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
該電路屬于輸入欠壓電路,當(dāng)輸入電壓低于保護電壓時拉低控制芯片的供電Vcc,從而關(guān)閉輸出。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
當(dāng)電源輸入電壓低于欠壓保護設(shè)定點時,A點電壓高于U4的Vref,U4導(dǎo)通,B點電壓為低電平,Q4導(dǎo)通,Vcc供電正常;當(dāng)輸入電壓低于保護電壓時,A點電壓低于U4的Vref,U4截止,B點電壓為高電平,Q4截止,從而Vcc沒有電壓,此時Vref也為低電平,當(dāng)輸入電壓逐漸升高時,A點電壓也逐漸升高,當(dāng)高于U4的Vref,模塊又正常工作。R4可以設(shè)定欠壓保護點的回差。
4、電路的優(yōu)缺點
該電路的優(yōu)點:電路簡單,保護點精確
缺點:成本較高。
5、應(yīng)用的注意事項:
使用時注意R1,R2的取值,有時候需要兩個電阻并聯(lián)才能得到需要的保護點。還需要注意R1,R2的溫度系數(shù),否則高低溫時,欠壓保護點相差較大。
輸入欠壓保護電路二
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
輸入欠壓保護電路。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定欠壓值時,關(guān)閉輸出;當(dāng)輸入電壓升高到設(shè)定恢復(fù)值時,輸出自動恢復(fù)正常。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
輸入電壓在正常工作范圍內(nèi)時, Va大于VD4的穩(wěn)壓值,VT4導(dǎo)通,Vb為0電位,VT5截止, 此時保護電路不起作用;當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定欠壓值時,Va小于VD4的穩(wěn)壓值,VT4截止,Vb為高電位,VT5導(dǎo)通,將COMP(芯片的1腳)拉到0電位,芯片關(guān)閉輸出,從而實現(xiàn)了欠壓保護功能。 R21、VT6、R23組成欠壓關(guān)斷、恢復(fù)時的回差電路。當(dāng)欠壓關(guān)斷時,VT6導(dǎo)通,將R21與R2并聯(lián),恢復(fù)時,VT6截止,回差電壓即為(Vin’-Vin)。
4、電路的優(yōu)缺點
優(yōu)點:電路形式簡單,成本較低。
缺點:因穩(wěn)壓管VD4批次間穩(wěn)壓值的差異,導(dǎo)致欠壓保護點上下浮動,大批量生產(chǎn)時需經(jīng)常調(diào)試相關(guān)參數(shù)。
5、應(yīng)用的注意事項:
VD4應(yīng)該選溫度系數(shù)較好的穩(wěn)壓管,需調(diào)試的元件如R2應(yīng)考慮多個并聯(lián)以方便調(diào)試。
輸出過壓保護電路
輸出過壓保護電路一
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
輸出過壓保護電路。當(dāng)有高于正常輸出電壓范圍的外加電壓加到輸出端或電路本身故障(開環(huán)或其他)導(dǎo)致輸出電壓高于穩(wěn)壓值時,此電路會將輸出電壓鉗位在設(shè)定值。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
輸出過壓時,加在VD3上的電壓大于其穩(wěn)壓值時,VD3導(dǎo)通,輸出電壓被鉗位,同時通過IC4向原邊反饋。
4、電路的優(yōu)缺點
優(yōu)點:電路形式簡單,成本較低。
缺點:因穩(wěn)壓管VD3批次間穩(wěn)壓值的差異,導(dǎo)致過壓鉗位點上下浮動,大批量生產(chǎn)時需經(jīng)常調(diào)試相關(guān)參數(shù)。
5、應(yīng)用的注意事項:
VD3應(yīng)該選溫度系數(shù)較好的穩(wěn)壓管,需調(diào)試的元件如R32應(yīng)考慮多個并聯(lián)以方便調(diào)試。
當(dāng)過壓保護電路起作用時,電路處于非正常工作狀態(tài)。對于有輸出電壓上下調(diào)功能的電路,過壓保護點應(yīng)大于輸出電壓上調(diào)最大值。
輸出過壓保護電路二
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
輸出過壓保護電路。當(dāng)有高于正常輸出電壓范圍的外加電壓加到輸出端或電路本身故障(開環(huán)或其他)導(dǎo)致輸出電壓高于正常值時,此電路會將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
輸出過壓時,Va>Vref,IC3導(dǎo)通,通過IC4向原邊反饋,輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的過壓保護值。
4、電路的優(yōu)缺點
優(yōu)點:輸出過壓保護值可以精確設(shè)置。
缺點:相對穩(wěn)壓管鉗位方式成本稍高一些。
5、應(yīng)用的注意事項:
當(dāng)過壓保護電路起作用時,電路處于非正常工作狀態(tài)。對于有輸出電壓上下調(diào)功能的電路,過壓保護點應(yīng)大于輸出電壓上調(diào)最大值。
過壓保護自鎖控制電路
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
在電源系統(tǒng)中,當(dāng)反饋回路失效時,輸出電壓不受控,電壓升高超出規(guī)定范圍,此時過高的輸出電壓有可能造成后續(xù)電器設(shè)備的損壞。為解決這問題,通常在電源中增加過壓保護電路。過壓保護的方式一般有三種。
A、鉗位型:當(dāng)反饋失效時,通過過壓鉗位電路將輸出電壓鉗位在一個定值。
B、間歇保護型:當(dāng)反饋失效時,通過保護電路使輸出電壓來回重啟,輸出電壓的最高點為過壓保護點。
C、自鎖型:當(dāng)輸出電壓達到過壓保護點時,電路動作,關(guān)閉PWM使模塊無輸出。在排除故障后再重啟電源輸出才正常供電。下述電路為自鎖型控制電路。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
上圖中為隔離的自鎖型控制電路。當(dāng)過壓保護信號CONTROL端給出一個高電平時,U1中的三極管導(dǎo)通,VCC為整個電路的供電端。Vcc經(jīng)R5給Q2一個基極電流,Q1導(dǎo)通并進入飽和狀態(tài),SHUT端被Q2拉至低電平,PWM關(guān)閉電源無輸出。Q2同時控制Q1的導(dǎo)通。當(dāng) Q2導(dǎo)通時,Q1的基極電流經(jīng)R2到地,Q1導(dǎo)通,經(jīng)R3再提供一個基極電流給Q2,維持Q2的導(dǎo)通。Q1及R1、R2、R3構(gòu)成了Q2的正反饋電路。
4、電路的優(yōu)缺點
優(yōu)點:可有效的進行自鎖保護,整個電路等效于一個可控硅。
缺點:整個電路需要一個固定的Vcc。當(dāng)PWM電源端無供電時,也需保證上圖中VCC電壓的存在。
5、應(yīng)用的注意事項:
1. 此電路要有持續(xù)的供電自鎖才有效。
2. 此電路不宜使用在無人值守的電源系統(tǒng)里。
過溫保護電路
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
該電路屬于過溫保護電路,但溫度高于設(shè)定的保護點時,關(guān)閉模塊輸出,當(dāng)溫度恢復(fù)后自動開啟模塊。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理):
穩(wěn)壓管給U103MAX6501提供5V電壓,溫度正常時,U103的五腳輸出高電平,當(dāng)溫度超過保護點時U103的五腳輸出低電平,當(dāng)溫度恢復(fù)后,U103的五腳輸出高電平。
4、電路的優(yōu)缺點
該電路的優(yōu)點:電路簡單,精確度高。
缺點:成本較高。
5、應(yīng)用的注意事項:
5.1 MAX6501的3腳和1腳相連時,回差溫度是10℃,當(dāng)其3腳和地相連時,回差溫度是2℃。
5.2 MAX6501的供電電壓不能超過7V,否則會損壞。
5.3 MAX6501一定要放置在最熱部分的附近。
過溫保護電路-熱敏電阻
1、概述(電路類別、實現(xiàn)主要功能描述):
本電路采用熱敏電阻檢測基板溫度,熱敏電阻阻值隨基板溫度變化而變化, 熱敏電阻阻值的變化導(dǎo)致運放輸入電壓變化,從而實現(xiàn)運放的翻轉(zhuǎn)控制PWM芯片的輸出,進而將模塊關(guān)閉。
2、電路組成(原理圖):
3、工作原理分析(主要功能、性能指標及實現(xiàn)原理,關(guān)鍵參數(shù)計算分析):
R99熱敏電阻是負溫度系數(shù)熱敏電阻,常溫時,R99=100k,R99與R94的分壓0.45V為U2運放的負輸入,遠低于運放的正輸入2.5V(R23與R97分壓),因此運放的輸出是高電平,對LM5025的SS端無影響,模塊正常工作。
隨著基板溫度升高,R99電阻阻值減小,當(dāng)減小到一定值時,使得運放的負輸入大于正輸入時,運放輸出低電平,將LM5025的SS拉低,從而關(guān)閉模塊輸出;溫度保護點可以適當(dāng)調(diào)整R94,R23,R97的阻值而相應(yīng)地調(diào)整。
模塊關(guān)閉輸出后(過溫保護),基板溫度會降低,R99阻值會增大,運放的負輸入會降低,為使運放的正常翻轉(zhuǎn),引入電阻R98,原理是運放輸出低后,R98相當(dāng)于與R97并聯(lián),將運放的基準變低,拉開運放正負輸入的電壓間距,從而實現(xiàn)溫度回差。比如基板溫度90℃時保護,80℃時開啟。
4、關(guān)鍵參數(shù)計算分析
4.1 運放正輸入電壓:VR97=Vref2=5/(1+R23/R97)=5/(1+10/10)=2.5V
4.2 運放負輸入電壓VR94+0.007=VR97=5*R94/(R99+R94)+0.007,
4.3 得出溫度保護時熱敏電阻的阻值:R99(t)=(Vref*R24/(Vref*R97/(R23+R97)-0.007))-R94
4.4 考慮容差時的計算見下表:
溫度回差=82.6-77.3=5.3℃
5、電路的優(yōu)缺點
優(yōu)點: 溫度保護點及溫度回差很容進行調(diào)整
缺點: 溫度準確度偏低
電路比采用溫度開關(guān)略復(fù)雜
溫度保護時反映的是熱敏電阻附近的基板溫度,不能反映模塊的最高器件的溫度,不過這可以在設(shè)計時解決,比如基板溫度在90℃保護,實際板上器件最高溫度已達130℃,就可以適當(dāng)調(diào)整溫度保護點,從而起到保護作用。
6、應(yīng)用的注意事項
盡量將熱敏電阻放置在發(fā)熱器件附近。
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