开关电源过电流保护电路设计研究

马健

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450000）

开关电源在一些典型的电路系统中具有至关重要的作用，换个角度来讲，开关电路可以相当于人类的心脏。开关电源在源源不断地为电路系统提供能量的同时，还可以对保护系统避免受到来自外部和内部的影响与损坏，比如，浪涌电流、雷击电流和由于系统内部故障造成的电力电源损害现象，这就需要我们在设计电源时进行保护电路的设计。在进行开关电源的实际设计中，负载保护和过负载时的电源保护是在设计中不可缺少的存在。本文简要地依据开关电源的设计原理和实际情况，对恒功率与恒电流控制的过电流保护电路进行深入分析，并且对其用处与特点进行阐述，并且找到了一种应用于瞬态过载情况下的延时过载保护电路。经过研究表明，如果电路在保护电路的情况下，开关元器件基本不能具备开关能力，这就为峰值状态下的负荷电源过载保护电路的设计找到了一个完美的突破口。

1 开关电源

开关电源主要是利用当代电子电力技术进行对开关的控制以及开关时间比的控制，它是一种可以有效保证可以输出稳定电压的一种开关电源。开关电源一般都是由许多脉冲宽度(PWM)构成，来控制IC 与MOSFET。L 利用开关电源和线性电源作比较我们可以发现，二者相似的方面就是他们的成本都是随着输出功率的增加而增大的。如果二者位于同一个功率节点上时，线性电源的成本要略高于开关电源的成本，这个节点就称为成本反折点。伴随着电力电子技术的日益发展与革新，开关电源技术也随着不断娴熟与创新。这就会使电源的成本反转点向着低输出端慢慢靠近，从而促进了开关电源的进步与发展。开关电源的质量指标中最主要的就是安全了。所以，在开关电源在电子技术指标完善并且使用要求合格的情况下，仍可以在恶劣环境以及突发故障的条件下可以进行安全可靠的运作，这就要求必须有尽可能多的保护电路，例如，防浪涌电流和高电压、欠压、热量过高、电路过大、短路等情况下的保护电路。并且，在同一种开关电源的电路中，不同种类的保护电路的设计一定要相互联系与协调，这个问题一定要得到重视。

2 短路保护

开关电源在预先设定的输出功率电平下，一般都会设计在安全运行范围内，因此，应避免运行超过额定输出电流，但有时会意外发生短路，这时需要对设备进行保护，以免造成永久性损坏。当前，限制电路可以最基本地保护电路。有一个输出短路，NCP1230 可以快速响应关闭输出，直到短路故障消除。本文设计的电路是将极限电路放在一次侧。在短路保护电路的电阻（R）上，主电流峰值将有一个比例电压降。R 电阻的大小是由电压来控制的。如果确定了R 处的压降达到了电源引脚电压限制值3V 时，NCP1230 的驱动引脚就会立刻作出反应迅速停止电流的输出，进而关闭电源的总输出。相对来说，这种电路是一个快速、准确的限流电路。最重要的是，其限流值相对准确为3V，可以通过适当地减小电阻功率损耗的办法，进一步提高电源的工作效率。

3 过载保护电路

在一般的开关电源中，所带的负载的输出电压其容量总是有限的。如果发生输出一侧所带负载远远大于电源设计时所允许的最大电流时，就一定要在设计过程中加入过载保护电路的部分，从而达到保护输出一侧整流管不被大电流损害的目的。其设计的主体就是应用了一个两级运算放大器，电路中使用的运算放大器就是ST 公司的LM358。第一阶段运算放大器采用一种特殊的差动放大电路,其中,第一组电阻值都是1kb,第二组的阻值都是324k,这时候，所有的输出信号均为高电平，这就会使处于第一阶段运算放大器以及第二阶段的运算放大器的电路达到一个开环状态。这时，它们的输出信号将只有高、低电平两个状态。如果同一方向的输入电压远大于参考电压时，输出端就会表现为高电平，二极管处于导通的状态，进而触发了OCP 信号，进行过载保护。当同相端输入高电压时，就会发生过载保护。过载保护电路输出电流检测电阻值可变、可变电阻器的值的大小主要由负载极值控制。由于要考虑此保护电路要在以后的生产实践中进行应用，不同的电源产品，其过载保护点有很大可能会不一样，这就要求我们在设计时要运用可变电阻，使过载保护点在相同的值上进行调整。

4 过电压保护电路

过压保护电路的主要功能就是当输出电压远远超过规定的量程时，电路就会立刻做出响应使输出关闭，防止由于输出电压过大损坏外部负载(烧坏LCD 设备)。但是在实际应用上，大部分开关电源的问题都发生在“无输出”的情况下，那么就会产生一个疑问，就是为什么要进行过电压保护电路呢?原因如下。首先，在输出可调的开关电源中，可以使用过压保护电路来防止输出的意外超调。其次，当过压情况发生时，必须保证其在安全范围内，即使这种情况不容易发生，所以只有添加了过压保护电路，才能起到防患于未然的作用，可以最大程度地保证安全。通常情况下，开关电源类似于PC电源有多组输出(+1，+5V，+3)。具有独特的OVP 保护芯片，如DWA1O6、INs406 等。这种单组输出电源目前还没有专门的保护芯片，因此，要对其单独设计相应的保护电路。

5 启动限流保护

开关电源在进行一次整流的过程中，其电路内部将拥有大容量的滤波电容，整流管在电源运行时会利用这些大电容进行充电，促使整流管的极快的达到额定电流。从而一定程度上降低启动电流限制(浪涌电流)，开关电源在一般情况下都会配有冲击电路。电源运转正常时,开关电源的变压器的感应电压12V，充电时C2(对电源接口只有充电时间常数等于(C2)，通过整流管传导，整流器电流不再通过电阻，而是由反馈电路返回阴极的整流桥。换个角度讲，在一般的工作状态下，VD6 短路R2 以阻止R2 发电。R2 只在启动时有效。采用晶闸管进行起动限流保护是一个绝佳的选择，但由于其电路设计较为复杂，从电路成本以及电路简捷等方面来考虑，用温控电阻作启动限流保护既经济又简单，而且安全可靠。

6 断路过流保护

在一般情况下，预防电路发生过流最经济、最实用的方法就是应用保险丝。保险丝保护主要有交、直流保险保护法。在由于意外情况发生负载电流时，电流往往会超过保险丝的熔点(熔断系数一般为1.5)时，保险丝就被熔断与击穿，从而达到了过电流保护的目的。通常情况下，在电源电路刚接通的时候，因为其电路中存在的大电容会发生充电现象，这样极容易产生大的浪涌电流，这些电路一般都是正常输入电流的几倍多，极容易使保险丝熔断，从而导致判断失误，这就是这种方式的主要缺点。

7 温度检测与保护电路

在开关电源内部会拥有许多的功率发射器，这些功率发生器就会产生许多的热量，主要是由于功率消耗造成的，这就会需要散热的电路设计。倘若电源散热器温度过高时，将会严重影响开关电源的性能，还会影响电源的使用安全。散热电路中的风机启动功率一般为33V，散热器的温度主要由NTC 来进行检测。伴随着电源的应用其内部温度逐启动并且逐渐加速。当风机达到最大转速时，就会收到电源外部环境温度的作用，电源内的温度不能维持稳定，或者是风机电路发生故障，风机不可以正常运行，就会导致内部电源供电时温度过高而损害电源。所以，为了避免此类事情的发生，就必须要应用超高温保护电路(OTP)。超高温保护电路(OTP)的主要功能是当NTC 减小到一定值时，会导致比较器发生翻转，从而使OTP 输出较低，这样就达到了保护电源的目的。

8 结语

电源有各种各样的应用场合，要选择与之相应的保护策略才可以提高产品的性能与质量。以本文列举的各种保护电路的开关电源为例，从原理和实验两方面深入分析了恒功率控制和恒流控制的过载保护电路，为过电流电源的保护电路的设计带来了全新的见解。