1、2.3 保护电路,一 过流保护电路,1 过流保护电路的功能和组成,* 功能,发生过流时，立即某种方式消除过流，保护电路器件不会损坏。,* 产生过流的原因,负载过载或输出短路,整流器件失效,开关管失效,干扰等因素造成的误导通,2 过流保护电路的设计,（1）电流传感器检测过流保护电路,* 组成,电流信号检测电路,过流信号处理电路,封锁开关脉冲电路,* 简单的保护方法,利用熔断器，但动作慢，不足以实现快速保护，一般使用由电子元器件构成的保护电路。,* 电流信号检测电路,脉冲电流后沿尖峰是开关管关断时的初级漏感和引线电感造成的。,脉冲电流前沿尖峰是由次级整流二极管的反向恢复造成的变压器次级暂时短路引起
2、的。,* 过流信号处理电路,过流一般都是不正常现象，或者是故障，所以过流保护应该是不可以自恢复的。,实现方式，反馈自锁。,加两级滤波后脉冲电流的前后沿尖峰明显减小。,* 封锁开关脉冲电路,（2）功率开关管过流状态的自动识别,* 注意，与截止时的电压相区别。,* 具有快速、可靠、方便的优点。,可自锁的处理电路,把过流信号处理电路的输出加到集成PWM控制器的保护信号输入端即可。,* 根据：GTR、GTO、IGBT等的导通压降是和导通时通过的电流有关的，当管子中电流增加时，其导通压降也会明显上升。,* 功率MOSFET是阻性负载，导通压降也和导通时的电流有关。,二 输出过压、欠压保护电路,1 过压、
3、欠压状态的判断,* 比较器A用于输出过压判断。,* 比较器B用于输出欠压判断。,* 调整电阻R1、R2、R3可改变保护点。,、,* 正常时，UB=“0”；保护时， UB=“1”。,上限,下限,2 保护,把过压、欠压判断电路的输出加到集成PWM控制器的保护信号输入端即可。,3 小功率电源中的过压保护,* 利用稳压二极管结合过流保护电路可实现。,* 选择稳压值UZ大于输出电压1V左右的稳压二极管，当发生过压时，稳压二极管反向击穿，输出电压被箝位在UZ，同时产生较大的电流，使过流保护电路动作。,* 对于瞬间的尖峰干扰，有吸收作用。,三 输入过压保护电路,1 输入连续过压保护,（1）基本方法,* 是在
4、滤波电容后取样，对瞬间过压不起作用。,* 利用R6、R5、T1可改变基准电压，避免产生振荡现象。,* 保护时，利用发出的保护信号可封锁PWM脉冲输出、停止后级DC/DC变换器工作。,（3）改进方法,（2）存在问题,保护不彻底，后级DC/DC变换器虽停止工作，功率开关得到保护，但如果输入电压继续上升超过滤波电容的耐压值时，滤波电容会过压击穿。,* 在判断保护后，发出保护信号同时，控制继电器或接触器动作、断开主回路；不过压时，继电器触点吸合，不影响正常工作。,* 特点：, 保护彻底，适合中、大功率电源中应用；, 电路复杂，成本高。,2 输入瞬间过压保护,（1）原因,（2）保护方法,* 电网上电感性
5、负载的开、关，雷电感应等都会在电网电压上产生尖峰电压，有的达数千伏。,* 这些尖峰电压的能量有强有弱，一般雷电引起的尖峰电压能量较强，有可能损坏电源。,* 在输入端并联氧化锌压敏电阻。,* 当交流尖峰电压串入时，经EMI滤波器后，有了一定的衰减；,* 若衰减后的尖峰仍大于压敏电阻的连续工作电压值时，则压敏电阻的阻值急剧下降，把尖峰能量吸收，电源得到保护。,* 要合理选择压敏电阻的连续工作电压值，一般要高于连续工作电压上限的20%左右。,四 软启动电路,1 软启动,* 软启动是指电源启动时，其输出电压随时间缓慢增加，变化规律如图。,* 需要软启动的原因，是由于电源输出滤波电容较大，开始工作时电容
6、两端电压为零，未储能；如果输出电压突然建立到额定值，将导致：,* 软启动时间，指输出电压上升到0.9U0时所用时间，一般为几百毫秒。, 在很短时间内形成很大的充电电流，对整流二极管、功率开关、电容自身都会造成严重的过流冲击。, 易使过流或短路保护动作，影响电源的正常启动及使用寿命。,2 软启动过程,3 软启动实现方法,* 指电源启动时，使功率开关管的驱动脉宽从0开始缓慢地展宽到额定输出电压时所对应的宽度。,* 软启动可利用电容的充电特性来实现。,* 供电时，基准电压UREF立刻建立，但电容C的存在，使电压误差放大器同相输入端电压从零逐渐上升、使PWM脉冲宽度从零开始缓慢展宽。,* 关机时，电容
7、C通过电阻R2放电，再次启动时仍具有软启动功能。,5 软启动与输入浪涌电流抑制电路的关系,* 在输入滤波电容充电结束，限流电阻短路后，输出软启动电路才开始工作。,4 软启动控制电路设计,* 在各种PWM控制芯片里，一般都有软启动控制电路，只需要在设置端外接一个电容即可。,* 如需要对其进行控制时：, X=1时，三极管导通、无脉冲输出；, X=0时，三极管截止、正常启动工作。,五 过热保护,1 热敏电阻,2 温度开关,4.4 热回路设计,一 半导体器件热设计的必要性,1 器件芯片最高允许结温的限制,器件芯片的温度超过结温，将引起器件电的或热的不稳定，而导致器件的失效。,一般，硅材料在200以下，
8、锗材料在100 以下。,二 功率开关管损耗计算,1 电阻性负载开关管的开关损耗,2 半导体器件还要受到温度变化的限制,半导体芯片是通过焊剂焊在基座上的，因为其接触部分热膨胀系数不同，所以外部温度频繁变化时，会使结合面材料疲软，致使两个表面分离，最终导致器件的失效。,开关管两端电压下降和开关管中电流上升是同步的，只是方向相反。,开通电流上升时间,关断电流下降时间,2 电感性负载开关管的开关损耗,* 在开关管截止期间，iC=0、 iL= iD，负载通过二极管续流、 uce=Ui。,* 导通时，iC增加到iL以前，二极管仍导通，uce=Ui，只有经过tvr后iL= ic，二极管截止， uce下降、经
9、tvf后下降到零而关断。,* 关断时，iC稍一下降，二极管便开始导通、 uce经很短时间tvr上升到Ui 、电流才开始明显下降，经tif后下降到零而关断。,3 开关管的导通损耗,* 对于GTR、GTO、IGBT ，Uces有一定的参考值。,* 对于MOSFET，一般给出Rds ，其损耗为,4 开关管的截止损耗,很小可忽略,二 二极管损耗计算,1 二极管的反向恢复损耗,2 二极管的通态损耗,3 二极管的开通损耗,二极管的开通时间很短，开通损耗可忽略。,4 二极管的截止损耗,二极管的截止漏电流很小，截止损耗可忽略。,UDM二极管承受的反向电压,三 热的传输方式,热的传输有三种形式：传导、对流、辐射
10、,* 传导是热能从一个质点传导下一个质点，而质点保持不动的过程。,1 传导,* 热的传导与电的传输相似：上式中的P是热流功率，A为传导体的截面积，L为传导体的长度，括号内为温度差。,* K 是材料的导热率，其量纲为W/cm2 。,* 铜的导热率为4.01；铝的导热率为2.25。,* 此式与导体中的电流计算式相似，所以可以应用分析电路的方法分析热路。,* 对流我们都很熟悉，天气的变化就是一种对流，称为自然对流。相对的还有强迫对流，就是强迫将被加热的介质带走热量。,2 对流,* 被加热的介质变轻，自然上升带走热量，称为自然对流.,3 辐射,* 辐射是借助于电磁波的形式将热传输出去。它与辐射面的表面
11、积、粗糙度和颜色有关。,* 三种传热方式往往同时存在，热传输是多维的。,* 如，芯片到外壳的热传输主要是传导，对流和辐射可忽略不计；在高空条件下，对流处于次要地位，主要是传导和辐射散热。,四 热路欧姆定律,1 热阻,* 表示介质传热的能力，其意义就是单位功耗所引起的温升，用Rth表示。,* 热阻的单位是/W,* 一般在说明热阻时，要说明从某处到某处的热阻。,2 热路欧姆定律,* 根据热电相似原理引入热路的概念,* 在热路中，热流相当于电路中的电流，热阻相当于电路中的电阻，温度差相当于电位差。,* 即，当热量从A物体向它周围的B物体扩散，A物体的温升等于A物体的发热功率与从A到B的热阻的乘积。,
12、* 如物体内有N个发热点，其热功率分别为P1、P2 Pn，则引起A处温升的总功率为,3 等效热路,* 开关电源中的功率开关管或整流二极管的等效热路,* 在散热系统中，芯片会与外壳、壳与散热器、壳与环境有热交换，其温度和热阻分别如图所示。,* 壳与环境的热阻要远大于壳与散热器的热阻，所以前一热路可等效为后一热路。,* Tj、TC、TS、Ta分别是芯片、壳、散热器、环境温度。,* Rjc、Rca、Rcs、Rsa分别是芯片到壳、壳到环境、壳到散热器、散热器到环境的热阻。,* 该环路中流动的是热功率,* 应该注意到该热路及方程只是稳态时等效热路,五.外部热阻的确定方法和散热器设计,1 芯片到壳的热阻,
13、* 芯片到壳的热阻可通过厂家提供的手册查找,* 不提供时，可用下式计算,Tjm公司给出的最高允许结温,TC环境25时最高允许壳温,PCM公司给出的最大允许功耗,* 一般,2 壳到散热器的热阻,* 壳到散热器的热阻与二者之间的接触面积及粗糙程度有关，为接触热阻。,* A 是接触面积（cm）、 为接触系数（cm2）/W、金属金属，有硅脂时为0.5；无硅脂时为1。,* 如果二者之间需要加绝缘，可用后式计算。,* 其中，K为导热率，L为垫片厚度，A 为垫片截面积。,3 散热器到环境的热阻,* 铝型材散热器当翼片气流方向垂直于水平面，光洁表面，黑色氧化时，有经验公式,A 为散热器的表面面积（cm2） P 为流入散热器的功率（W）,4 散热器设计,（1）计算散热器热阻,（2）计算散热器表面积,（3）根据厂家产品手册选择散热器,六 热设计注意问题,（1）自然冷却时，竖放比平放效果好；,（2）散热器表面氧化发黑处理的效果好；,（3）功率管与散热器之间的接触热阻与是否垫绝缘垫片和是否涂导热硅脂有关；,（4）接触热阻与紧锁力矩有关。,（5）如果散热器上有多个发热器件时，要计算总的功耗。,（6）计算温升时，要考虑最热的一个。,
