外文-保护(1)解读

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2、 Supply Protection and Application ofTechnology作者： L.David起止页码： 15-18出版日期（期刊号）： 2013.9（0167-9317） 出版单位： Microelectronic Engineering摘要：开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域，促进了高技术产品的 小型化。此外，在能源保护、资源节约和环境保护的开发和应用中的开关电源具有重要 意义。本文讨论直流开关电源保护系统、保护系统的设计原则和机器保护措施 , 分析开 关电源的保护的特点及其设计方法 , 并介绍一些实用的保护电路。关键字 ：开关电源 保护电路 系统设计

3、一、引言 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定 输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET构成。 随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源 以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞 速发展不可缺少的一种电源方式。直流开关稳压器使用的大功率开关器件价格昂贵 , 控 制电路比较复杂；另外 , 开关稳压器的负载都是用大量的集成化程度很高的器件安装的 电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该 兼顾稳压器本身和负载的安

4、全。保护电路的种类很多 , 这里介绍极性保护、程序保护、 过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式组 合 , 构成完善的保护系统。二、极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。 由于操作失误或者意外情况会将 其极性接错 ,将损坏开关电源。 极性保护的目的 ,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接 上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。由于二 极管 D 要流过开关稳压器的输入总电流 , 因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比 较合适。在较大功率的场合 , 则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节 , 可以省去极 性保护所需

5、的大功率二极管 , 功耗也将减小。我们可以采用 MOS替代三极管来增加充电器的输出功率， 此种方案增加了充电器的 输出功率但是 MOS的成本也相对三极管提高了很多，另外当系统电池连接正确后，若充 电器出现故障（比如短路） ，则电池不会自动脱离系统也会出现短路，短路产生的大电 流也会导致电池损坏。图 1 极性保护三、程序保护开关稳压电源的电路比较复杂 , 可以分为小功率控制部分和大功率开关部分。开关 晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全, 必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。因此 , 要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端 一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在

6、开机瞬间 , 滤波电容器会流过很大的浪涌电 流, 这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的 触点或继电器的触点熔化 , 并使输入保险丝熔断。另外 ,浪涌电流也会损害电容器 , 使其 寿命缩短。因此 ,开机时应该接入一个限流电阻 , 通过这个限流电阻来对电容器充电。为 了不使该限流电阻消耗过多的功率，以至于影响开关稳压器的正常工作 , 而在开机暂态 过程结束后，用一个继电器自动短接它 , 使直流电源直接对开关稳压器供电。这种电路 称为开关稳压器的“软启动”电路。开关稳压器的控制电路中的逻辑组件或者运算放大器需用辅助电源供电。为此 , 辅 助电源必须先于 开关电路工

7、作。这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是 : 输 入电源的极性鉴别 , 电压保护开机程 序电路工作辅助电源工作并通过限流电阻 R 对开关稳压器的输入电容器 C 充电 开关稳压器的调制电路工作， 短路限流电阻开 关稳压器 稳定工作。在开关稳压器中 ,刚开机时 ,因为其输出电容容量大 , 充到额定输出电压值需要一定 时间。在这段时间内 , 取样放大器输入低的输出电压采样 ,根据系统闭环调节特性将迫使 开关三极管的导通时间加长 ,这样一来 ,开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通 , 而 容易损坏。为此, 要求在开机这一段时间内 , 开关调制电路输出给开关三极管基极的脉宽 调制驱动信号，能

8、保证开关三极管由截止逐渐趋于正常的开关状态，故而要加设开机保 护以配合软启动。四、过电流保护过流保护用 PTC 热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流 值。可取代传统的保险丝，广泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过流 过 热保护，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复，而过流保护用 PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时 , 会引起流过稳压器中开关 三极管的电流过大，使管子功耗增大 , 发热,若没有过流保护装置 , 大功率开关三极管就 有可能损坏。故而在开关稳压器中过

9、电流保护是常用的。 最经济简便的方法是用保险丝。 由于晶体管的热容量小 , 普通保险丝一般不能起到保护作用 ,常用的是快速熔断保险丝。 这种方法具有保护容易的优点，但是 , 需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选 择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。在线性稳压 器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是 , 根据开关稳压器 的特点 ,这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管 , 而必须使过电流保护的输出转 换为脉冲指令 , 去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取 样电阻串联在电路中 , 这会影响电源的效率 , 因此多用

10、于小功率开关稳压器的场合。 而在 大功率的开关稳压电源中 , 考虑到功耗，应尽量避免取样电阻的接入。因此 ,通常将过电 流保护转换为过、欠电压保护。五、过电压保护开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。 开关稳压器所使 用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高 , 使开关稳压器不能正常工作 甚至损坏内部器件 ,因此, 有必要使用输入过电压保护电路。在该电路中，当输入直流电 源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时， 稳压管击穿， 有电流流过电阻 R， 使晶体管 V 导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。其中稳 压管的稳压值 Vs. = Earwax-UBE。输入 电

11、源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起 , 构成极性 保护鉴别与过电压保护电路。输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对 输出为 5V的开关稳压器来说 , 它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时 , 开关稳压器的开关三极管突然损坏 , 输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的 电压值, 瞬时造成很大的损失。常用的方法是晶闸管短路保护。当输出电压过高时 , 稳压 管被击穿 , 触发晶闸管导通 ,把输出端短路 , 造成过电流 , 通过保险丝或电路保护器将输 入切断, 保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为510s。它的缺点是动作电压是固定的，温度

12、系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在着参数 的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。六、欠电压保护输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生 了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落， 输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设欠电压保护。当未稳压输入的电压值正常时，稳压管 ZD击穿，晶体管 V 导通，继电器动作，触 点吸合，开关稳压器加电。 当输入低于所允许的最低电压值时， 稳压管 ZD不通，V截止， 触点跳开，开关稳压器不能工作。开关稳压器内部，由于控制电路失常或者开关三极管 失效会使输

13、出电压下降；负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压 型的直流开关稳压器中欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的，因而更加重要。实现 方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器。正常时， 比较器没有输出， 一旦电压跌落在允许值之下比较器就翻转， 驱动告警电 路; 同时反馈到开关稳压器的控制电路，使开关三极管截止或切断输入电源。七、过热保护一般情况下，使用热敏感的电子元件来组建过热保护电路，当热敏元件监测到主电 路设备的温度升高到一定值， 其内部的低熔点金属就会发生形变， 进而推动主电路断开， 达到保护主电路设备的目的；停机散热一段时间后，热敏元件监测到主电路设备的温度 降低了，其内部的

14、低熔点金属恢复原有形状，进而使主电路接通，主电路设备又可以正 常工作。开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源 装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元 器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继 电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电 器置于开关三极管的附近， 一般大功率管允许的最高管壳温度是 75，调节温度整定值 为 60 。当管壳温度超过允许值后继电器就切断电器， 对开关管进行保护。 半导体热敏 开关

15、器件“热晶闸管”在超温保护方面有重要作用。它可以用作温度指示电路。根据 p 型控制栅热晶闸管 (TT102)的特性，由 RT值确定该器件的导通温度， RT越大，导通温度 越低。当将其放置功率开关三极管附近，或在电源装置内时，它就能起到温度指示作用。 当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极 管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关稳压器。它亦 可以用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被 n 控制栅型热晶闸管 TT201 旁路，开关管截止，切断集电极电流 , 防止过热。八、继电保护的未来发展继电保护技术未来趋势是向计算机化，网

16、络化，智能化，保护、控制、测量和数据 通信一体化发展。计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制的 微机线路保护硬件已经历了 3个发展阶段：从 8位单 CPU结构的微机保护问世，不到 5 年时间就发展到多 CPU结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高， 得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从 8位 CPU，发展到以工控机核心 部分为基础的 32 位微机保护。南京电力自动化研究院一开始就研制了 16位 CPU为基础的微机线路保护，已得到 大面积推广，目前也在研究 32 位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬 件也经过了多次

17、改进和提高。天津大学一开始即研制以 16 位多 CPU为基础的微机线路 保护，1988年即开始研究以 32位数字信号处理器 (DSP)为基础的保护、 控制、测量一体 化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的 32 位大模 块，一个模块就是一个小型计算机。采用 32 位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度 受 A/D 转换器分辨率的限制，超过 16 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更 重要的是 32 位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址 空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。 CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是 32位的，具有存储

18、器管理功能、 存储器保护功能和任务转换功能， 并将高速缓存 (Cache) 和浮点数部件都集成在 CPU内。网络化 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故 障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、 控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这 就要求微机保护装置具有相当于一台 PC 机的功能。在计算机保护发展初期，曾设想过 用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这 个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量 大大超过了当年的

19、小型机，因此，用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是 微机保护的发展方向之一。有大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继 电保护装置。这种装置的优点有： (1) 具有 486PC机的全部功能，能满足对当前和未来 微机保护的各种功能要求。 (2) 尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良、防 震、防过热、防电磁干扰能力强，可运行于非常恶劣的工作环境，成本可接受。 (3) 采 用 STD总线或 PC 总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不同模块，配置灵活、 容易扩展。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地 满足电力系统要求，

20、如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社 会效益，尚须进行具体深入的研究。计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱， 使人类生产和社 会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了 强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只 能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范 围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在 当时主要指安全自动装置。 因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范 围（ 这是首要任务 ） ，还要保证全系统

21、的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共同 作用。九、结语以上分别讨论了在开关稳压器中的各种保护方式 , 并介绍了一些具体实现的方法。 对一个给定的开关稳压电源来说，还应从整机保护方面考虑以下几点：1）把开关稳压器中所应用的开关三极管限制在直流安全工作区域之内工作。对于选定 的开关三极管 , 由晶体管手册可查得其直流安全工作区。根据集电极电流的最大值来确 定输入过电流的保护值。但是 , 这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。在额定输出电 流与输出电压的条件下 , 开关管的动态负载线不超过直流安全工作区的最大输入电压 , 就是输入过电压保护的电压值。2）把开关稳压器的输出限制在所给定的技术指标之

22、内。在所要求的工作温度范围内, 开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。过电流保护则可根 据最大输出电流来确定。为了不误告警 , 保护值应适当留一定的余量。3）由以上两点确定保护方式之后 , 再根据电源装置的需要来确定告警措施。一般告警措 施有声警和光警两种。声警适用于整机比较复杂、电源部分又装在不显眼的地方 , 它可 以给工作人员以有效的故障告警 ; 光警可以醒目地指示故障告警并指出故障发生的部位 和类型。保护措施要视所保护的部位来确定。在大功率 , 多路电源的场合 ,总是用交、直 流断路器 , 高灵敏继电器等构成自动保护措施 ,切断电源的输入使系统停止工作 ,免受损

23、害。通过逻辑控制。电路使相应的开关三极管截止的方案显得既灵敏方便又经济。这样 可以省去体积大 ,响应时间长 ,价格贵的大功率继电器或断路器。4）电源中加设了保护电路之后会影响系统的可靠性，为此要求保护电路本身的可靠性 要高，以提高整个电源系统的可靠性， 进而提高电源本身的 MTBF。这就要求保护的逻辑 严密, 电路简单、元器件最少，除此而外还要考虑到保护电路本身出故障时维修难度和 其所保护的电源损坏程度。所以必须全面系统地考虑开关电源各种保护措施，确保开关 电源的正常工作和高效率与高可靠性。Abstract: The power switch in the development and ap

24、plication of energy conservation, resource conservation and environmental protection are of great significance The DC switching power supply protection system, protection system design principles and machine protection measures, an analysis of switching power supply in the range of protected charact

25、eristics and its design methodology, introduced a number of practical protection circuit.Keywords: switching power supply protection circuit system design1、IntroductionSwitching power supply is the use of modern power electronics technology, control switch turn-on and turn-off time ratio, to maintai

26、n a stable output voltage of a power supply, switching power supply is generally a pulse width modulation (PWM) control IC and MOSFET constituted. With the power electronics technology and innovation, so that the switching power supply technology is constantly innovating. At present, switching power

27、 supply with small size, light weight and high efficiency characteristics are widely used in almost all electronic devices, todays electronic information industry is the rapid development of an indispensable power mode. DC switching regulator used in the price of more expensive high-power switching

28、devices, the control circuit is also more complex, In addition, the load switching regulators are generally used a large number of highly integrated electronic systems installed devices. Transistors and integrated device tolerance electricity, less heat shocks. Switching Regulators therefore should

29、take into account the protection of voltage regulators and load their own safety. Many different types of circuit protection, polarity protection, introduced here, the program protection, over-current protection, over-voltage protection, under-voltage protection and over-temperature protection circu

30、it. Usually chosen to be some combination of protection, constitutes a complete protection system.2、polarity protectionDC switching regulator input are generally not regulated DC power supply. Operating errors or accidents as a result of the situation will take its wrong polarity, switching power su

31、pply will be damaged. Polarity protection purposes, is to make the switching regulator only when the correct polarity is not connected to DC power supply regulator to work at. Connecting a single device can achieve power polarity protection. Since the diode D to flow through switching regulator inpu

32、t total current, this circuit applied in a low-power switching regulator more suitable. Power in the larger occasion, while the polarity protection circuit as a procedure to protect a link, save the power required for polarity protection diodes, power consumption will be reduced. In order to easy to

33、 operate, make it easier to identify the correct polarity or not, collect the next light.We can use alternative MOS transistor to increase the output power of the charger, the charger such programs increase the output power, but the cost is relatively MOS transistor has improved a lot, in addition t

34、o the battery when the system is properly connected, if the charger fails (eg short circuit), the battery does not automatically from the system will be a big short circuit current, short circuit will damage the battery.3、procedures to protectSwitching power supply circuit is rather complicated, bas

35、ically can be divided into low-power and high-power part of the control part of the switch. Switch is a high-power transistors, for the protection of the transistor switch is turned on or off power safety, we must first modulator, amplifier and other low-power control circuit. To this end, the boot

36、to ensure the correct procedures. Switching Regulators generally take the input of a small inductor, the input filter capacitor. Moment in the boot, filter capacitor will flow a lot of surge current, the surge current can be several times more than the normal input current. Such a large surge curren

37、t may contact the general power switch or relay contact melting, and the input fuse fuse. In addition, the capacitor surge current will damage to shorten the life span of premature damage. To this end, the boot should be access to a current limiting resistor, through the current limiting resistor to

38、 capacitor charging. In order not to make the current limiting resistor excessive power consumption, thus affecting the normal switching regulator, and the transient process in the boot after a short period then automatically relays it to DC power supply directly to the switching regulator power sup

39、ply. This circuit switching regulator called a soft start circuit.Switching regulator control circuit of the logic components required or op-amp auxiliary power supply. To this end, the auxiliary power supply must be in the switch circuit. This control circuit can be used to ensure the boot. Normal

40、boot process is: to identify the polarityof input power, voltage protection procedures boot auxiliary power supply circuit andthrough current limiting resistor R of the switching regulator input capacitor C charge modulation switching regulator circuit, short-circuit current limiting resistor stabil

41、ity switching regulator.In the switching regulator, the machines just because the output capacitance, and charge to the rated output voltage value of the need for a certain period of time. During this time, sampling the output amplifier with low input voltage sampling, closed-loop regulation charact

42、eristics of the system will force the switching of the transistor conduction time lengthened, so that switching transistor during this period will tend to continuous conduction, and easily damaged. Leakage protection and air switch just for current control, ignoring the voltage control on the basis

43、of leakage protection and air switch on the increase in over-pressure over-voltage protection, over-voltage protection over-pressure main role is to voltage comprehensive monitoring, control, protection, if both current and voltage protection, so you can avoid the abnormal current and voltage sudden

44、 rise to life and property damage. To this end, the requirements of this paragraph in the boot time, the switch to switch the output modulation circuit transistor base drive signal of the pulse width modulation, can guarantee the switching transistor by the cut-off switches are becoming more and mor

45、e normal state, therefore the protection of the setting up of a boot to tie in with the soft start.4、over-current protectionOver-current protection with PTC thermistor mutation limit consumption of the entire circuit by its resistance to reduce the residual current value. Can replace the traditional

46、 fuse, widely used in motors, transformers, switching power supply, electronic circuits and other overcurrent thermal protection, traditional fuse can not recover on their own after the line is blown, and over-current protection with PTC thermistor in failure after removal recover to pre-protection

47、status, when time and again fails to achieve its over-current overheating protection.When the load short-circuit, overload control circuit failure or unforeseen circumstances, such as would cause the flow of switching voltage regulator transistor current is too large, so that increased power tubes,

48、fever, if there is no over-current protection device, high power switching transistor may be damaged. Therefore, the switching regulator in the over-current protection is commonly used. The most economical way is to use simple fuse. As a result of the heat capacity of small transistors, general fuse

49、 protection in general can not play a role in the rapid fuse common fuse. This method has the advantage of the protection of vulnerable, but it needs to switch transistor in accordance with specific security requirements of the work area to select the fuse specifications. This disadvantage is over-c

50、urrent protection measures brought about by the inconvenience of frequent replacement of fuses. Overvoltage, overcurrent protection for the machine failure, so now occurs, the power should not be automatically restored. If we want to reproduce, you must reboot after shutdown. Short-circuit protectio

51、n, current alarm, short circuit alarm function in the face of the user, if the current has fallen short circuit has been eliminated, the relative alarm will be automatically removed, it will automatically return to normal voltage.Linear voltage regulator commonly used in the protection and current l

52、imiting to protect the cut-off in the switching regulator can be applied. However, according to the characteristics of switching regulators, the protection circuit can not directly control the output transistor switches, and over current protection must be converted to pulse output commands to contr

53、ol the modulator to protect the transistor switch. A power supply in the event of any fault, are likely to make the output voltage or output current of loss of control, in order to make the users load and therefore will not be damaged, the company has a general power overvoltage and over current pro

54、tection. Some loads such as resistive load, when the power failure, the voltage on the load is likely to rise sharply, and the appreciation of the current value does not necessarily over-current protection. This case is appropriate overvoltage protection, such as working at 50V, the voltage can be a

55、djusted to protect the value of 55V, if a power failure as long as the voltage to 55V, the power will automatically cut off the output voltage. When some load is a capacitive load, because the parallel with large-capacity electrolytic capacitor, when the power fails, the current can rise significant

56、ly, while the appreciation of the voltage was not obvious, then the over current protection components inside the power supply It will first start, the power will automatically cut off the output. In order to achieve over-current protection are generally required sampling resistor in series in the c

57、ircuit, this will affect the efficiency of power supply, so more for low-power switching regulator of occasions. In the high-power switching power supply, by taking into account the power consumption should be avoided as far as possible access to the sampling resistor. Therefore, there will usually

58、be converted to over-current protection, and under-voltage protection.5、over-voltage protectionSwitching regulators input over-voltage protection, including over-voltage protection and output over-voltage protection. Switching regulator is not used in DC power supply voltage regulator and rectifier,

59、 such as battery voltage, if too high, so switching regulator is not working properly, or even damage to internal devices, therefore, it is necessary to use the input over-voltage protection circuit. Using transistors and relays protection is circuit.In the circuit, when the input DC power supply vo

60、ltage higher than the voltage regulator diode breakdown voltage value, the breakdown voltage regulator tube, a current flowing through resistor R, so that V turn-on transistor, relay, normally closed contact off open, cut off the input. Voltage regulator voltage regulator which controls the value of