設(shè)計工程師們都知道,電源除了要能在發(fā)生負載和線路變化、系統(tǒng)瞬變,以及噪聲等偏差的情況下提供穩(wěn)定的DC (或AC)電壓之外,還必須要保護自己免受臨時和永久性故障(內(nèi)部或外部)的影響,從而避免負載損壞。
電源保護涉及很多方面,許多案例會將以下這些方案結(jié)合使用:
過載(過電流/短路)保護
包括典型的保險絲──熔斷體(fusible link)──可在負載路徑短路或開始吸收過多電流時對電源提供保護。許多電源由于只能提供一定量的電流而會「自我限制」,因此不需要使用保險絲——但是在某些法規(guī)管制情況下會需要。標準的保險絲是透過「熔斷」(開路)而停止電流流動,因此需要進行手動更換;這在某些情況下可能造成麻煩,但在別的情況下可能又是優(yōu)點。此外,還有電子保險絲,這種產(chǎn)品可以自動重設(shè)。
限流(current limiting)和電流折返(current foldback)
這是過載保護的延伸,如果負載從電源吸收的電流超過設(shè)計極限,那么電流折返就會將輸出電流和相關(guān)的電壓降低到低于正常工作極限的值。在極端情況下,如果負載發(fā)生短路,那么電流就會被限制在最大值的一小部分,而輸出電壓顯然就會變?yōu)榱恪?/p>
欠壓鎖定(Undervoltage lockout,UVLO)
UVLO保護在發(fā)現(xiàn)其輸入端電壓太低時,可確保讓DC/DC轉(zhuǎn)換器不嘗試運作(圖1)。這可能會是一個問題:首先如果電源輸出的直流電壓太低,那么它就有可能不確定,這就可能導致系統(tǒng)問題。其次,即使電壓很低,它也可以防止 「吸血鬼」從電源耗電——這有可能耗盡系統(tǒng)正在嘗試充電的電池。UVLO還有助于上電時序(power-on sequencing)的正常運作(如果有的化)。第三,如果DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓過低而無法正常運作,其本身就可能受到損壞。
圖1:隨著電源從關(guān)閉轉(zhuǎn)向完全開啟,然后再回到關(guān)閉狀態(tài),電源會經(jīng)歷不同的模式;在此期間,如果電源的輸入電壓低于正常運作所需的最小值,那么UVLO可以確保電源不嘗試開啟而提供輸出。(圖片來源:TI)
過壓保護(overvoltage protection,OVP)
OVP會在電源內(nèi)部故障導致其輸出電壓上升到超過規(guī)定的最大值時啟動,從而保護負載免受損壞。當電壓超過某個默認水平時,OVP就會關(guān)閉電源或者對輸出進行鉗位(clamps)。OVP電路通常被稱為「撬棍」(crowbar)電路,大概是因為其作用與在電源輸出兩端放置一根金屬撬棍相同,而撬棍電路的設(shè)計最好是與電源本身無關(guān)。一種典型的撬棍電路是僅在電源關(guān)閉(跳電)時才會重設(shè)。另一種類型則是,一旦清除了輸出電壓故障,它就會自動重設(shè)。后一種類型在引起撬棍跳開的情況很短暫時才有用,而非電源出現(xiàn)嚴重故障時。盡管現(xiàn)在大多數(shù)電源都內(nèi)建撬棍,但許多供貨商都提供了一個小型的獨立撬棍電路,而可以在需要時將其添加到現(xiàn)有電源中。
熱過載保護(Thermal overload)
如果電源的冷卻方式設(shè)計不當或無法作用(例如風扇停止、氣流阻塞),就會發(fā)生熱過載情況。這時,電源就有可能超過其額定溫度值,從而嚴重縮短其壽命,甚至可能導致故障立即發(fā)生。解決方案很簡單:在電源內(nèi)部或電源附近設(shè)置一個溫度感測電路。如果電源超過了預設(shè)極限,那么就使電源進入靜態(tài)或停機模式。如果溫度下降,有部分溫度保險絲(thermal cutoffs)會自動使電源恢復運作,其他則不能。
反向連接保護(Reverse-connection)
如果負載被反向連接──正電源輸出接到負電源軌(negative load rail),反之亦然──則反接保護就會阻止電流流動并使電壓歸零。在電池被斷開然后又重新連接的應用中,例如在汽車或者電池或其連接器未被鎖定的應用中,這種保護特別流行。其他實用的電源保護組件包括金屬氧化物變阻器(metal oxide varistor,MOV)、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管、氣體放電管(gas discharge tube,GDT),以及聚合物PTC自恢復保險絲。
要保護什么、防止什么,以及如何進行,這一系列問題并不像看起來那么簡單。我們需要為電源添加哪些類型的保護?與往常一樣,答案是「取決于」電源本身、負載,以及系統(tǒng)。IC (包括轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器)到更大的模塊,甚至機箱/開架(chassis/open-frame)設(shè)備,雖然許多電源,以及相關(guān)功能都會包含以上的幾種,但你可能會需要添加其他的。
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