【導(dǎo)讀】鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計(jì)用來(lái)防止此類(lèi)不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱(chēng)作保護(hù)電路。在各類(lèi)電子產(chǎn)品中，保護(hù)電路比比皆是，例如：過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)等等，本文就整理了一些常見(jiàn)的保護(hù)電路。
電機(jī)過(guò)熱保護(hù)電路
生產(chǎn)中所用的自動(dòng)車(chē)床、電熱烘箱、球磨機(jī)等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備，以及其它無(wú)人值守的設(shè)備， 因?yàn)殡姍C(jī)過(guò)熱或溫控器失靈造成的事故時(shí)有發(fā)生，需要采取相應(yīng)的保安措施。PTC熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)電路能夠方便、有效地預(yù)防上述事故的發(fā)生 。
下圖是以電機(jī)過(guò)熱保護(hù)為例，由PTC熱敏電阻和施密特電路構(gòu)成的控制電路。圖中，RT1、RT2、RT3為三只特性一致的階躍型PTC熱敏電阻器，它們分別埋設(shè)在電機(jī)定子的繞組里。 正常情況下，PTC熱敏電阻器處于常溫狀態(tài)，它們的總電阻值小于1KΩ。此時(shí)，V1截止，V2導(dǎo)通，繼電器K得電吸合常開(kāi)觸點(diǎn)，電機(jī)由市電供電運(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)電機(jī)因故障局部過(guò)熱時(shí)，只要有一只PTC熱敏電阻受熱超過(guò)預(yù)設(shè)溫度時(shí)，其阻值就會(huì)超過(guò)10KΩ以上。 于是V1導(dǎo)通、V2截止，VD2顯示紅色報(bào)警，K失電釋放，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到保護(hù)目的。
PTC熱敏電阻的選型取決于電機(jī)的絕緣等級(jí)。通常按比電機(jī)絕緣等級(jí)相對(duì)應(yīng)的極限溫度低40℃左右的范圍選擇PTC熱敏電阻的居里溫度。例如，對(duì)于B1級(jí)絕緣的電機(jī)，其極限溫度為130℃，應(yīng)當(dāng)選居里溫度90℃的PTC熱敏電阻。
逆變電源中的保護(hù)電路
逆變器經(jīng)常需要進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換,如果電路中的電流超出限定范圍，將對(duì)電路和關(guān)鍵器件造成很大傷害，因此保護(hù)電路在逆變電源中就顯得尤為重要。
防反接保護(hù)電路
如果逆變器沒(méi)有防反接電路，在輸入電池接反的情況下往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，輕則燒毀保險(xiǎn)絲，重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護(hù)電路主要有三種：反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路，如下圖所示。
由圖可以看出，當(dāng)電池接反時(shí)，肖特基二極管D導(dǎo)通，F(xiàn)被燒毀。如果后面是推挽結(jié)構(gòu)的主變換電路，兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管的寄生二極管的也相當(dāng)于和D并聯(lián)，但壓降比肖特基大得多，耐瞬間電流的沖擊能力也低于肖特基二極管D，這樣就避免了大電流通過(guò)MOS管的寄生二極管，從而保護(hù)了兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管。
這種防反接保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)影響效率，但保護(hù)后會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲F，需要重新更換才能恢復(fù)正常工作。
采用繼電器的防反接保護(hù)電路，基本電路如下：
由圖中可以看出，如果電池接反，D反偏，繼電器K的線圈沒(méi)有電流通過(guò)，觸點(diǎn)不能吸合，逆變器供電被切斷。這種防反接保護(hù)電路效果比較好，不會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲F，但體積比較大，繼電器的觸點(diǎn)的壽命有限。
采用MOS管的防反接保護(hù)電路，基本電路如下所示：
圖中D為防反接MOS的寄生二極管，便于分析原理畫(huà)出來(lái)了。當(dāng)電池極性未接反時(shí)，D正偏導(dǎo)通，Q的GS極由電池正極經(jīng)過(guò)F、R1、D回到電池負(fù)極得到正偏而導(dǎo)通。Q導(dǎo)通后的壓降比D的壓降小得多，所以Q導(dǎo)通后會(huì)使D得不到足夠的正向電壓而截止。
當(dāng)電池極性接反時(shí)，D會(huì)由于反偏而截止，Q也會(huì)由于GS反偏而截止，逆變器不能啟動(dòng)。這種防反接保護(hù)電路由于沒(méi)有采用機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)而具有比較長(zhǎng)的使用壽命，也不會(huì)像反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路那樣燒毀保險(xiǎn)絲F.因而得到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是MOS導(dǎo)通時(shí)具有一定的損耗。足夠暢通無(wú)阻地通過(guò)比較大的電流還保持比較低的損耗。
電池欠壓保護(hù)
為了防止電池過(guò)度放電而損壞電池，我們需要讓電池在電壓放電到一定電壓的時(shí)候逆變器停止工作，需要指出的一點(diǎn)是，電池欠壓保護(hù)太靈敏的話會(huì)在啟動(dòng)沖擊性負(fù)載時(shí)保護(hù)。這樣逆變器就難以起動(dòng)這類(lèi)負(fù)載了，尤其在電池電量不是很充足的情況下。請(qǐng)看下面的電池欠壓保護(hù)電路。
可以看出這個(gè)電路由于加入了D1、C1能夠使電池取樣電壓快速建立，延時(shí)保護(hù)。
鋰電池充電保護(hù)電路
鋰電池過(guò)充，過(guò)放電都會(huì)影響電池的壽命。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意鋰電池的充電電壓，充電電流。然后選取合適的充電芯片。注意要防止鋰電池的過(guò)充，過(guò)放，短路保護(hù)等問(wèn)題。同時(shí)，設(shè)計(jì)完成后要經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試。
鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)
這里選擇了芯片TP4056為例子。根據(jù)所接電阻不同可以控制充電最大電流。可以設(shè)計(jì)充電指示燈，可以設(shè)計(jì)充電溫度即多少到多少度之間進(jìn)行充電。
充電保護(hù)電路
選擇芯片DW01 和GTT8205的組合，可以做到短路保護(hù)，過(guò)充過(guò)放電的保護(hù)。
開(kāi)關(guān)電源中的過(guò)流保護(hù)電路
開(kāi)關(guān)電源中常用的過(guò)流保護(hù)方式
過(guò)電流保護(hù)有多種形式，如圖1所示，可分為額定電流下垂型，即フ字型；恒流型；恒功率型，多數(shù)為電流下垂型。過(guò)電流的設(shè)定值通常為額定電流的110％～130％。一般為自動(dòng)恢復(fù)型。
圖1中①表示電流下垂型，②表示恒流型，③表示恒功率型。
圖1 過(guò)電流保護(hù)特性
用于變壓器初級(jí)直接驅(qū)動(dòng)電路中的限流電路
在變壓器初級(jí)直接驅(qū)動(dòng)的電路（如單端正激式變換器或反激式變換器）的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)限流是比較容易的。圖2是在這樣的電路中實(shí)現(xiàn)限流的兩種方法。
圖2電路可用于單端正激式變換器和反激式變換器。圖2（a）與圖2（b）中在MOSFET的源極均串入一個(gè)限流電阻Rsc，在圖2（a）中， Rsc提供一個(gè)電壓降驅(qū)動(dòng)晶體管S2導(dǎo)通，在圖2（b）中跨接在Rsc上的限流電壓比較器，當(dāng)產(chǎn)生過(guò)流時(shí)，可以把驅(qū)動(dòng)電流脈沖短路，起到保護(hù)作用。
圖2（a）與圖2（b）相比，圖2（b）保護(hù)電路反應(yīng)速度更快及準(zhǔn)確。首先，它把比較放大器的限流驅(qū)動(dòng)的門(mén)檻電壓預(yù)置在一個(gè)比晶體管的門(mén)檻電壓Vbe更 精確的范圍內(nèi)；第二，它把所預(yù)置的門(mén)檻電壓取得足夠小，其典型值只有100mV～200mV，因此，可以把限流取樣電阻Rsc的值取得較小，這樣就減小了 功耗，提高了電源的效率。
圖2 在單端正激式或反激式變換器電路中的限流電路
當(dāng)AC輸入電壓在90～264V范圍內(nèi)變化，且輸出同等功率時(shí)，則變壓器初級(jí)的尖峰電流相差很大，導(dǎo)致高、低端過(guò)流保護(hù)點(diǎn)嚴(yán)重漂移，不利于過(guò)流點(diǎn)的一致 性。在電路中增加一個(gè)取自＋VH的上拉電阻R1，其目的是使S2的基極或限流比較器的同相端有一個(gè)預(yù)值，以達(dá)到高低端的過(guò)流保護(hù)點(diǎn)盡量一致。
用于基極驅(qū)動(dòng)電路的限流電路
在一般情況下，都是利用基極驅(qū)動(dòng)電路把電源的控制電路和開(kāi)關(guān)晶體管隔離開(kāi)來(lái)。變換器的輸出部分和控制電路共地。限流電路可以直接和輸出電路相接，其電路如圖3所示。在圖3中，控制電路與輸出電路共地。工作原理如下：
圖3 用于多種電源變換器中的限流電路
電路正常工作時(shí)，負(fù)載電流IL流過(guò)電阻Rsc產(chǎn)生的壓降不足以使S1導(dǎo)通，由于S1在截止時(shí)IC1=0， 電容器C1處于未充電狀態(tài)，因此晶體管S2也截止。如果負(fù)載側(cè)電流增加，使IL達(dá)到一個(gè)設(shè)定的值，使得ILRsc=Vbe1＋I(xiàn)b1R1，則S1導(dǎo)通，使 電容器C1充電，其充電時(shí)間常數(shù)τ= R2C1，C1上充滿電荷后的電壓是VC1=Ib2R4＋Vbe2。在電路檢測(cè)到有過(guò)流發(fā)生時(shí)，為使電容器C1能夠快速放電，應(yīng)當(dāng)選擇R4。
無(wú)功率損耗的限流電路
上述兩種過(guò)流保護(hù)比較有效，但是Rsc的存在降低了電源的效率，尤其是在大電流輸出的情況下，Rsc上的功耗就會(huì)明顯增加。圖4電路利用電流互感器作為檢測(cè)元件，就為電源效率的提高創(chuàng)造了一定的條件。
圖4電路工作原理如下：利用電流互感器T2監(jiān)視負(fù)載電流IL，IL在通過(guò)互感器初級(jí)時(shí)，把電流的變化耦合到次級(jí)，在電阻R1上產(chǎn)生壓降。二極管D3對(duì)脈 沖電流進(jìn)行整流，經(jīng)整流后由電阻R2和電容C1進(jìn)行平滑濾波。當(dāng)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象時(shí)，電容器C1兩端電壓迅速增加，使齊納管D4導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)晶體管 S1導(dǎo)通，S1集電極的信號(hào)可以用來(lái)作為電源變換器調(diào)節(jié)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖4無(wú)功耗限流電路
電流互感器可以用鐵氧體磁芯或MPP環(huán)型磁芯來(lái)繞制，但要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應(yīng)該達(dá)到匝數(shù)比是電流比。通常互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3）。具體繞制數(shù)據(jù)最后還要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，使其性能達(dá)到最佳狀態(tài)。
用555做限流電路
圖5為555集成時(shí)基電路的基本框圖。
圖5 555集成時(shí)基電路的基本框圖
555集成時(shí)基電路是一種新穎的、多用途的模擬集成電路，有LM555，RCA555，5G1555等，其基本性能都是相同的，用它組成的延時(shí)電路、單穩(wěn)態(tài)振蕩器、多諧振蕩器及各種脈沖調(diào)制電路，用途十分廣泛，也可用于直接變換器的控制電路。
555時(shí)基電路由分壓器R1、R2、R3，兩個(gè)比較器，R-S觸發(fā)器以及兩個(gè)晶體管等組成，電路在5～18V范圍內(nèi)均能工作。分壓器提供偏壓給比較器1 的反相輸入端，電壓為2Vcc/3，提供給比較器2的同相輸入端電壓為Vcc/3，比較器的另兩個(gè)輸入端腳2、腳6分別為觸發(fā)和門(mén)限，比較器輸出控制R- S觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出供給輸出級(jí)以及晶體管V1的基極。當(dāng)觸發(fā)器輸出置高時(shí)，V1導(dǎo)通，接通腳7的放電電路；當(dāng)觸發(fā)器輸出為低時(shí)，V1截止，輸出級(jí)提供一 個(gè)低的輸出阻抗，并且將觸發(fā)器輸出脈沖反相。當(dāng)觸發(fā)器輸出置高時(shí)，腳3輸出的電壓為低電平，觸發(fā)器輸出為低時(shí)，腳3輸出的電壓為高電平。輸出級(jí)能夠提供的 最大電流為200mA，晶體管V2是PNP管，它的發(fā)射極接內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Vr，Vr的取值總是小于電源電壓Vcc，因此，若將V2的基極（腳4 復(fù)位）接到Vcc上，V2的基—射極為反偏，晶體管V2截止。
圖6為用555做限流保護(hù)的電路，其工作原理如下：UC384X與S1及T1組成一個(gè)基本的PWM變換器電路。UC384X系列控制IC有兩個(gè)閉環(huán)控制回路，一個(gè)是輸出電壓Vo反饋至誤差放大器，用于同基準(zhǔn)電壓Vref比較之后產(chǎn)生誤差電壓（為了防止誤差放大器的自激現(xiàn)象產(chǎn)生，直接把腳2對(duì)地短接）；另一個(gè)是變壓器初級(jí)電感中的電流在T2次級(jí)檢測(cè)到的電流值在R8及C7上的電壓，與誤差電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖的脈沖信號(hào)。
當(dāng)然，這些均在時(shí)鐘所設(shè)定的固定頻率下工作。UC384X具有良好的線性調(diào)整率，能達(dá)到0.01％/V；可明顯地改善負(fù)載調(diào)整率；使誤差放大器的外電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得 到簡(jiǎn)化，穩(wěn)定度提高并改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積。UC384X有兩種關(guān)閉技術(shù)；一是將腳3電壓升高超過(guò)1V，引起過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)關(guān)閉電路輸出；二 是將腳1 電壓降到1V以下，使PWM比較器輸出高電平，PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的到來(lái)，將PWM鎖存器置位，電路才能重新啟動(dòng)。電流互感 器T2監(jiān)視著T1的尖峰電流值，當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，T1的尖峰電流迅速上升，使T2的次級(jí)電流上升，經(jīng)D1整流，R9及C7平滑濾波，送到IC1的腳3，使 IC1的腳1電平下降（注意：接IC1腳1的R3，C4必須接成開(kāi)環(huán)模式，如接成閉環(huán)模式則過(guò)流時(shí)555的腳7放電端無(wú)法放電）。
IC1的腳1與IC2的 腳6相連接，使IC2的比較器1同相輸入端的電壓降低，觸發(fā)器Q輸出高電平，V1導(dǎo)通，IC2的腳7放電，使IC1的腳1電平被拉低于1V，則IC1輸出 關(guān)閉，S1因無(wú)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)而關(guān)閉，使電路得到保護(hù)。若過(guò)流不消除，則重復(fù)上述過(guò)程，IC1重新進(jìn)入啟動(dòng)、關(guān)閉、再啟動(dòng)、再關(guān)閉的循環(huán)狀態(tài)，即“打嗝”現(xiàn) 象。而且，過(guò)負(fù)載期間，重復(fù)進(jìn)行著啟振與停振，但停振時(shí)間長(zhǎng)，啟振時(shí)間短，因此電源不會(huì)過(guò)熱，這種過(guò)負(fù)載保護(hù)稱(chēng)為周期保護(hù)方式（當(dāng)輸入端輸入電壓變化范圍 較大時(shí)，仍可使高、低端的過(guò)流保護(hù)點(diǎn)基本相同）。其振蕩周期由555單穩(wěn)多諧振蕩器的RC時(shí)間常數(shù)τ決定，本例中τ=R1C1，直到過(guò)載現(xiàn)象消失，電路才 可恢復(fù)正常工作。電流互感器T2的選擇同1.3的互感器計(jì)算方法。
圖6 用555做限流保護(hù)電路
圖6電路，可以用在單端反激式或單端正激式變換器中，也可用在半橋式、全橋式或推挽式電路中，只要IC1有反饋控制端及基準(zhǔn)電壓端即可，當(dāng)發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，用555電路的單穩(wěn)態(tài)特性使電路工作在“打嗝”狀態(tài)下。
幾種過(guò)流保護(hù)方式的比較
幾種過(guò)流保護(hù)方式的比較如下表所示。
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