多路输出的集成开关稳压电源设计 第3页
第二章 集成开关稳压电源保护电路的设计要点
设计一个高性价比的开关电源，所涉及的知识面很广。设计人员不仅要掌握各种单片开关电源集成电路的工作原理和应用电路，还必须了解有关通用及特种半导体器件、模拟与数字电路、电磁兼容性、热力学等方面的知识。本章详细阐述单片开关电源的设计要点及外围关键元器件的选择。
在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在5～15V，电流在5～40A的电源。而一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此专门开发了电压4V～16V连续可调，输出电流最大40A的开关电源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。
一 集成开关稳压电源保护电路的设计
为使单片开关电源能够长期稳定、安全可靠的工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或环境条件发生变化而损坏开关电源。下面首先介绍单片开关电源保护电路的分类，然后重点阐述输出过电压保护电路，输入嵌电压保护和软启动电路的设计。
保护电路的分类
单片开关电源的保护电路可分为两大类。第一类是芯片内部的保护电路，例如TOPSwitch系列中的过电流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启电路、前沿闭锁电路。第二类是外部保护电路。主要包括过电流保护装置（如熔丝管、自恢复熔丝、熔断电阻等）、电磁干扰(EMI)滤波器、启动限流保护电路、漏级钳位保护电路（或R.C.VD)吸收电路。输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路、软启动电路、散热装置。其中，内部保护电路是由芯片厂家设计的，外部保护电路由用户自己设计。下面重点介绍输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路和软启动电路的设计。
1.1输出过电压保护电路的设计
（1.由分立式晶闸管构成的输出过电压保护电路
电路如图2-3所示。这里是用两只PNP和NPN型晶体管VT1.VT2，来构成分立式晶闸管(SCR)，其中三个电级分别为阳极A，阴极K，门级G。反馈电压Ufb经稳压管VS2和电阻R1分压后提供门级电压Ug。正常情况下Ug较低，SCR关断当二次侧出现过电压时，Uo上升导致Ufb上升Ug也上升，就触发SCR并使之导通，进而使控制端电压Uc变低，将TOPSwitch系列单片开关电源关断，起到保护作用。稳压管VS2的稳定电压与VT2的发射结电压之和等于(Uz2+Ube2)，当Ufb>Uz2+Ube2时，就进行过电压保护。
2.由双向触发二极管构成的输出过电压保护电路
双向触发二极管也称两端交流器件(DIAC)，其结构及特性如图2-4所示。它属于具有对称性的两端器件，可等效于基极开路、发射极与集电极完全对称的NPN晶体管。由于正、反伏安特性完全对称，当DIAC两端电压U小于正向转折电压Ubo时，器件为高阻状态；当U>Ubo时DIAC就导通。同理，当U超过反向转折电压Ubr时，管子也能导通。正、反向转折电压的对称性可用△Ub表示，一般要求变化的Ub=Ubo-Ubr<2V。因为双向触发二极管的结构简单，价格低廉，所以常用来构成过电压保护电路，并适合于触发双向晶闸管(TRIAC)。
图2-3由分立式SCR构成的输出过电压保护电路 图2-4 双向触发二极管的结构,符号及等效电路a结构 b符号 c等效 d电路特性曲线
由双向触发二极管构成的输出过电压保护电路如图2-5所示，一旦输出过电压，使Ufb超过了DIAC的转折电压时，DIAC就导通，将光敏晶体管的Uce电压进行钳位，使Uc降低，TOPSwitch被关断。图中使用一只MBS4991型双向触发二极管，其正。反向转折电压均为10V，最大导通电流为2A，功耗为0.5W。R为限流电阻。
3.由稳压管构成的输出过电压保护电路
电路如图2-6所示。这里使用一只1N5231B型5.1V、20mA的 稳压管来限制输出电压值。当光敏晶体管损坏或二次绕组开路时，也能起到保护作用。1N5231B可用国产稳压管2CW340代替。
图2-5由DIAC构成的输出过电压保护电路 图2-6由稳压管构成的输出过电压保护电路
1.2输入欠电压保护电路的设计
1.由光耦合器构成的输入欠电压保护电路
利用光耦合器构成的输入欠电压保护电路如图2-7所示。当直流输入电压U1低于下限值时，经R1.R2分压后，使VT的基极电位Ub<4.7V，于是VT和VD4均导通，控制端电压Uc也就低于4.7V，立即将TOPSwitch关断。不难看出。
图2-7 由光耦构成的输入欠电压保护电路
UB=U1R2/R1+R2 (2-3)
从中解出 R2=UB/U1-UB (2-4)
设欠电压时U1=100V，取R1=1M，要求Ub=4.4V，代入式(2-4)中计算出R2=46.4K。为降低保护电路的功耗，应将反馈电压Ufb设计为12V。PNP型硅晶体管2N2907A亦可用JE9015代替。
若交流电压u突然发生变化掉电，U1就随C1的放电而衰减，使Uo降低。一旦Uo降低到自动稳压范围之外，C4开始放电，同样可将TOPSwitch关断。
2.由反馈绕组构成的输入欠电压保护电路
电路如图2-8所示。当U1欠电压时，晶体管VT导通，Uc为低电平而将TOPSwitch关断。当U1又恢复正常时，VD4和VT均截止，TOPSwitch转入正常工作。该电路还能防止TOPSwitch的误启动。VD4能限制VT的反向发射结电压不至于过高。同样，当交流电源突然掉电时，该电路也能起到保护作用。
图2-8 由反馈绕组构成的输入欠电压保护电路
1.3软启动电路的设计
1.光耦反馈式软启动电路
增加软启动电容Css可消除上电瞬间对电路造成的冲击，使输出电平平滑的升高。两种光耦反馈式软启动单元电路分别如图 2-9a b所示.图2-9a是配给稳压管的光耦反馈电路增加软启动电路。图2-9b是给精密光耦反馈电路增加软启动电容。Css可限制光耦中发光二极管导通时的尖峰电流，进而限制了占空比。正常工作时Css起不到作用，断电后Css经R2放电。软启动电容可采用4.7-47uF的电解电容器。
图2-9 两种光耦反馈式软启动电路
a 普通光耦反馈电路 b精密光耦反馈电路
2.基本反馈式软启动电路
利用软启动电容可消除基本反馈式单片开关电源中的开启尖峰电压，单元电路如图2-10所示。当TOPSwitch瞬间导通时，软启动电容Css可增大控制端电流Ic，从而限制了占空比，使输出电压趋于稳定。关闭电源时Css就通过电阻Rd放电。 图2-10 基本反馈式软启动电路