鑒于電源電路存在一些不穩定因素，而設計用來(lái)防止此類(lèi)不穩定因素影響電路效果的回路稱(chēng)作保護電路。在各類(lèi)電子產(chǎn)品中，保護電路比比皆是，例如：過(guò)流保護、過(guò)壓保護、過(guò)熱保護、空載保護、短路保護等等，本文就整理了一些常見(jiàn)的保護電路。

 

電機過(guò)熱保護電路

 

生產(chǎn)中所用的自動(dòng)車(chē)床、電熱烘箱、球磨機等連續運轉的機電設備，以及其它無(wú)人值守的設備， 因為電機過(guò)熱或溫控器失靈造成的事故時(shí)有發(fā)生，需要采取相應的保安措施。PTC熱敏電阻過(guò)熱保護電路能夠方便、有效地預防上述事故的發(fā)生 。

 

下圖是以電機過(guò)熱保護為例，由PTC熱敏電阻和施密特電路構成的控制電路。圖中，RT1、RT2、RT3為三只特性一致的階躍型PTC熱敏電阻器，它們分別埋設在電機定子的繞組里。 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導通，繼電器K得電吸合常開(kāi)觸點(diǎn)，電機由市電供電運轉。

 

當電機因故障局部過(guò)熱時(shí)，只要有一只PTC熱敏電阻受熱超過(guò)預設溫度時(shí)，其阻值就會(huì )超過(guò)10KΩ以上。 于是V1導通、V2截止，VD2顯示紅色報警，K失電釋放，電機停止運轉，達到保護目的。

 

 

PTC熱敏電阻的選型取決于電機的絕緣等級。通常按比電機絕緣等級相對應的極限溫度低40℃左右的范圍選擇PTC熱敏電阻的居里溫度。例如，對于B1級絕緣的電機，其極限溫度為130℃，應當選居里溫度90℃的PTC熱敏電阻。

 

逆變電源中的保護電路

 

逆變器經(jīng)常需要進(jìn)行電流轉換,如果電路中的電流超出限定范圍，將對電路和關(guān)鍵器件造成很大傷害，因此保護電路在逆變電源中就顯得尤為重要。

 

防反接保護電路

 

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 )造成災難性的后果，輕則燒毀保險絲，重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護電路主要有三種：反并肖特基二極管組成的防反接保護電路，如下圖所示。

 

 

由圖可以看出，當電池接反時(shí)，肖特基二極管D導通，F被燒毀。如果后面是推挽結構的主變換電路，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，從而保護了兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管。

 

這種防反接保護電路結構簡(jiǎn)單，不會(huì )影響效率，但保護后會(huì )燒毀保險絲F，需要重新更換才能恢復正常工作。

 

采用繼電器的防反接保護電路，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(xiàn)圈沒(méi)有電流通過(guò)，觸點(diǎn)不能吸合，逆變器供電被切斷。這種防反接保護電路效果比較好，不會(huì )燒毀保險絲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。當電池極性未接反時(shí)，D正偏導通，Q的GS極由電池正極經(jīng)過(guò)F、R1、D回到電池負極得到正偏而導通。Q導通后的壓降比D的壓降小得多，所以Q導通后會(huì )使D得不到足夠的正向電壓而截至;

 

當電池極性接反時(shí)，D會(huì )由于反偏而截至，Q也會(huì )由于GS反偏而截至，逆變器不能啟動(dòng)。這種防反接保護電路由于沒(méi)有采用機械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)而具有比較長(cháng)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電路那樣燒毀保險絲F.因而得到廣泛應用，缺點(diǎn)是MOS導通時(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

 

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，電池欠壓保護太靈敏的話(huà)會(huì )在啟動(dòng)沖擊性負載時(shí)保護。這樣逆變器就難以起動(dòng)這類(lèi)負載了，尤其在電池電量不是很充足的情況下。請看下面的電池欠壓保護電路。

 

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。

 

 

鋰電池充電保護電路

 

鋰電池過(guò)充，過(guò)放電都會(huì )影響電池的壽命。在設計時(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，短路保護等問(wèn)題。同時(shí)，設計完成后要經(jīng)過(guò)大量的測試。

 

鋰電池充電電路的設計

 

這里選擇了芯片TP4056為例子。根據所接電阻不同可以控制充電最大電流?？梢栽O計充電指示燈，可以設計充電溫度即多少到多少度之間進(jìn)行充電。

 

 

充電保護電路

 

選擇芯片DW01 和GTT8205的組合，可以做到短路保護，過(guò)充過(guò)放電的保護。

 

 

開(kāi)關(guān)電源中的過(guò)流保護電路

 

開(kāi)關(guān)電源中常用的過(guò)流保護方式

 

過(guò)電流保護有多種形式，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，多數為電流下垂型。過(guò)電流的設定值通常為額定電流的110％～130％。一般為自動(dòng)恢復型。

 

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)電流保護特性

 

用于變壓器初級直接驅動(dòng)電路中的限流電路

 

在變壓器初級直接驅動(dòng)的電路（如單端正激式變換器或反激式變換器）的設計中，實(shí)現限流是比較容易的。圖2是在這樣的電路中實(shí)現限流的兩種方法。

 

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)電壓降驅動(dòng)晶體管S2導通，在圖2（b）中跨接在Rsc上的限流電壓比較器，當產(chǎn)生過(guò)流時(shí)，可以把驅動(dòng)電流脈沖短路，起到保護作用。

 

圖2（a）與圖2（b）相比，圖2（b）保護電路反應速度更快及準確。首先，它把比較放大器的限流驅動(dòng)的門(mén)檻電壓預置在一個(gè)比晶體管的門(mén)檻電壓Vbe更 精確的范圍內；第二，它把所預置的門(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。

 

（a）晶體管保護

 

（b）限流比較器保護

 

圖2 在單端正激式或反激式變換器電路中的限流電路

 

當AC輸入電壓在90～264V范圍內變化，且輸出同等功率時(shí)，則變壓器初級的尖峰電流相差很大，導致高、低端過(guò)流保護點(diǎn)嚴重漂移，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)預值，以達到高低端的過(guò)流保護點(diǎn)盡量一致。

 

用于基極驅動(dòng)電路的限流電路

 

在一般情況下，都是利用基極驅動(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)，負載電流IL流過(guò)電阻Rsc產(chǎn)生的壓降不足以使S1導通，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。如果負載側電流增加，使IL達到一個(gè)設定的值，使得ILRsc=Vbe1＋Ib1R1，則S1導通，使 電容器C1充電，其充電時(shí)間常數τ= R2C1，C1上充滿(mǎn)電荷后的電壓是VC1=Ib2R4＋Vbe2。在電路檢測到有過(guò)流發(fā)生時(shí)，為使電容器C1能夠快速放電，應當選擇R4

 

無(wú)功率損耗的限流電路

 

上述兩種過(guò)流保護比較有效，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監視負載電流IL，IL在通過(guò)互感器初級時(shí)，把電流的變化耦合到次級，在電阻R1上產(chǎn)生壓降。二極管D3對脈 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。當發(fā)生過(guò)載現象時(shí)，電容器C1兩端電壓迅速增加，使齊納管D4導通，驅動(dòng)晶體管 S1導通，S1集電極的信號可以用來(lái)作為電源變換器調節電路的驅動(dòng)信號。

 

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)反復實(shí)驗，以確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應該達到匝數比是電流比。通?；ジ衅鞯腘p=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3）。具體繞制數據最后還要經(jīng)過(guò)實(shí)驗調整，使其性能達到最佳狀態(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、單穩態(tài)振蕩器、多諧振蕩器及各種脈沖調制電路，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)器輸出供給輸出級以及晶體管V1的基極。當觸發(fā)器輸出置高時(shí)，V1導通，接通腳7的放電電路；當觸發(fā)器輸出為低時(shí)，V1截止，輸出級提供一 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)射極接內部基準電壓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象產(chǎn)生，直接把腳2對地短接）；另一個(gè)是變壓器初級電感中的電流在T2次級檢測到的電流值在R8及C7上的電壓，與誤差電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生調制脈沖的脈沖信號。當然，這些均在時(shí)鐘所設定的固定頻率下工作。UC384X具有良好的線(xiàn)性調整率，能達到0.01％/V；可明顯地改善負載調整率；使誤差放大器的外電路補償網(wǎng)絡(luò )得 到簡(jiǎn)化，穩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監視著(zhù)T1的尖峰電流值，當發(fā)生過(guò)載時(shí)，T1的尖峰電流迅速上升，使T2的次級電流上升，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)柵極驅動(dòng)信號而關(guān)閉，使電路得到保護。若過(guò)流不消除，則重復上述過(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 象。而且，過(guò)負載期間，重復進(jìn)行著(zhù)啟振與停振，但停振時(shí)間長(cháng)，啟振時(shí)間短，因此電源不會(huì )過(guò)熱，這種過(guò)負載保護稱(chēng)為周期保護方式（當輸入端輸入電壓變化范圍 較大時(shí)，仍可使高、低端的過(guò)流保護點(diǎn)基本相同）。其振蕩周期由555單穩多諧振蕩器的RC時(shí)間常數τ決定，本例中τ=R1C1，直到過(guò)載現象消失，電路才 可恢復正常工作。電流互感器T2的選擇同1.3的互感器計算方法。

 

圖6 用555做限流保護電路

 

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電壓端即可，當發(fā)生過(guò)流現象時(shí)，用555電路的單穩態(tài)特性使電路工作在“打嗝”狀態(tài)下。

 

幾種過(guò)流保護方式的比較

 

幾種過(guò)流保護方式的比較如下表所示。