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六种电源保护技术盘点

2021-04-02 Bill Schweber 阅读:
电源除了要能在发生负载和线路变化、系统瞬变以及噪声等偏差的情况下提供稳定的电压外,还必须要能保护自己免受临时和永久性故障(内部或外部)的影响,从而避免负载受到损坏。保护涉及很多方面,许多电源都会结合使用它们。

设计人员都知道,电源除了要能在发生负载和线路变化、系统瞬变以及噪声等偏差的情况下提供稳定的DC(或AC)电压外,还必须要能保护自己免受临时和永久性故障(内部或外部)的影响,从而避免负载受到损坏。gQMednc

保护涉及很多方面,许多电源都会结合使用它们:gQMednc

  • 过载(过电流/短路)保护,包括经典的熔断器(熔丝连接),可在负载路径短路或开始吸收过多电流时对电源提供保护。许多电源由于只能提供一定量的电流而会“自我限制”,因此不需要使用熔断器——但是在某些监管情况下却需要使用它。标准的熔断器是通过“熔断”(开路)而停止电流流动,因此需要进行手动更换;这在某些情况下可能造成麻烦,但在别的情况下可能又是优点。此外还有电子熔断器,这种产品可以自动自复位。
  • 限流和电流折返保护是过载保护的扩展。如果负载从电源吸收的电流超过设计极限,那么电流折返就会将输出电流和相关的电压降低到低于正常工作极限的值。在极端情况下,如果负载发生短路,那么电流就会被限制在最大值的一小部分,而输出电压显然就会变为零。
  • 欠压锁定(UVLO)保护在发现其输入端的输入电压太低时,可确保让DC/DC转换器不尝试运行(图1)。这为什么会有问题?首先,如果电源输出的直流电压太低,那么它就有可能不确定,这就可能导致系统问题。其次,即使电压很低,它也可以防止“吸血鬼”从电源耗电——这有可能耗尽系统正在尝试充电的电池。如果有上电时序的话,UVLO还可以帮助其正常运行。第三,如果DC/DC转换器的输入电压过低而无法正常运行,那么它自身就可能受到损坏。

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图1:随着电源从关闭状态过渡到完全开启状态,然后再回到关闭状态,电源会经历不同的模式;在此期间,如果电源的输入电压低于正常运行所需的最小值,那么UVLO可以确保电源不尝试开启而提供输出。(图片来源:德州仪器)gQMednc

  • 过压保护(OVP)——如果电源内部的故障导致其输出电压上升到超过规定的最大值,那么OVP电路就会起作用,从而保护负载免受损坏。当电压超过某个预设水平时,OVP就会关闭电源或者对输出进行钳位。OVP电路通常被称为“撬棍”电路,大概是因为其作用与在电源输出两端放置一根金属撬棍相同吧。撬棍电路的设计最好是与电源本身无关。

一种类型的撬棍电路是(一旦跳闸则)仅在电源关闭时才会复位。另一种类型则是,一旦清除了输出电压故障,它就会自动复位。后一种类型在引起撬棍跳闸的情况很短暂而非电源出现严重故障时就很有用。尽管现在大多数电源都带有内置撬棍,但许多供应商都提供了一个小型的独立撬棍电路,而可以在需要时将其添加到现有电源中。gQMednc

  • 热过载保护——如果电源的冷却方式设计不当或不能使用(例如风扇停止、气流阻塞),那么就会发生热过载。这时,电源就有可能超过其额定温度值,从而严重缩短其寿命,甚至可能导致故障立即发生。解决方案很简单:在电源内部或电源附近设置一个温度感应电路。如果电源超过了预设极限,那么就使电源进入静态或停机模式。如果温度下降,一些热熔断路器会自动使电源恢复运行,而其他一些则不能。
  • 反向连接保护——如果负载受到反向连接(正电源输出接负负载轨,反之亦然),则反接保护就会阻止电流流动并使电压归零。在电池被断开然后又重新连接的应用中,例如在汽车或者电池或其连接器未被锁定的应用中,这种保护特别流行。

实用的保护器件包括金属氧化物变阻器(MOV)、正温度系数(PTC)热敏电阻、瞬态电压抑制(TVS)二极管、气体放电管(GDT),以及聚合物PTC自恢复熔断器。gQMednc

要保护什么、防止什么以及如何进行,这一系列问题并不像看起来那样简单。我们需要向电源添加哪些类型的保护?与往常一样,答案是“取决于”电源本身、负载以及系统。从IC(包括转换器和稳压器)到更大的模块甚至机箱/开放式设备,虽然许多电源以及相关功能都包括其中的一些,但是你可能需要添加其他进去。gQMednc

你首选的电源保护是什么?你为电源添加了哪些类型的保护,这又是出于你良好的工程判断力还是出于你的试错经历?gQMednc

(本文授权编译自EDN姊妹网站EE Times,原文参考链接:Do You Have the Right Power-Supply Protections?。杂志原标题:《电源保护技术知多少?》。由赵明灿编译。)gQMednc

本文为《电子技术设计》2021年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里gQMednc

(责编:赵明灿)gQMednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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