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  • 詳解開(kāi)關(guān)電源的4種過(guò)壓保護(hù)電路
    詳解開(kāi)關(guān)電源的4種過(guò)壓保護(hù)電路
  • 詳解開(kāi)關(guān)電源的4種過(guò)壓保護(hù)電路
  •   發(fā)布日期: 2024-01-27  瀏覽次數(shù): 1,029

    一、過(guò)壓保護(hù)是什么意思?

    過(guò)壓保護(hù)是一種電源功能,當(dāng)輸入電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)會(huì)切斷電源,為了防止高壓浪涌,通常會(huì)一些過(guò)壓保護(hù)方法。 大多數(shù)電源都使用過(guò)電壓保護(hù)電路來(lái)防止損壞電子元件。過(guò)電壓條件的影響因電路而異,范圍從損壞組件到降低組件性能并導(dǎo)致電路故障或火災(zāi)。 由于電源內(nèi)部故障或配電線路等外部原因,電源可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓情況。 過(guò)電壓的幅度和持續(xù)時(shí)間是設(shè)計(jì)有效保護(hù)時(shí)的一些主要考慮因素。保護(hù)涉及設(shè)置閾值電壓,高于該閾值電壓時(shí),控制電路將關(guān)閉電源或?qū)㈩~外電壓轉(zhuǎn)移到電路的其他部分,例如電容器。

    二、過(guò)壓保護(hù)電路

    關(guān)于過(guò)壓保護(hù),方法還是有許多的,這里主要介紹以下幾種:

    1、使用齊納二極管的過(guò)壓保護(hù)電路

    2、晶閘管撬棒(SCR Crowbar)過(guò)壓保護(hù)電路

    3、電壓鉗位過(guò)壓保護(hù)

    4、電壓限制

    三、使用齊納二極管的過(guò)壓保護(hù)電路

    在使用齊納二極管的過(guò)壓保護(hù)電路中,齊納二極管和雙極性晶體管用于自動(dòng)過(guò)壓保護(hù),可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn):

    齊納穩(wěn)壓電路

    這種方法通過(guò)提供穩(wěn)壓電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓并保護(hù)電路免受過(guò)壓, 但當(dāng)電壓超過(guò)安全限制時(shí),它不會(huì)斷開(kāi)輸出部分?,將始終收到小于或等于齊納二極管額定值的輸出電壓。

    齊納二極管過(guò)壓保護(hù)電路

    在過(guò)壓保護(hù)的第二種方法中,每當(dāng)輸入電壓超過(guò)預(yù)設(shè)水平時(shí),它就會(huì)斷開(kāi)輸出部分或負(fù)載與電路的連接。

    1、如何保護(hù)電路免受過(guò)壓?

    考慮下圖,我們需要微控制器的過(guò)電壓保護(hù)。微控制器可以是任何在 IO 引腳上具有最大 5V 額定值的東西。因此,超過(guò) 5V 可能會(huì)損壞微控制器。

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    微控制器的過(guò)電壓保護(hù) 上述電路中使用的齊納二極管為 5.1V穩(wěn)壓二極管。它會(huì)在過(guò)壓情況下正常工作。如果電壓大于 5.1V,齊納二極管將通過(guò)電流并控制電壓高達(dá) 5.1V。但低于 5.1V,齊納二極管將像普通二極管一樣工作并阻斷。 下圖是齊納二極管保護(hù)電路的仿真。

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    齊納二極管保護(hù)電路的仿真 上面的原理圖有一個(gè)輸入電壓,它是 V1。R1 和 D2 是保護(hù)輸出免受過(guò)壓保護(hù)的兩個(gè)組件。在這種情況下,D2、1N4099 是一個(gè) 6.8V齊納二極管。如果 V1 超過(guò) 6.8V,輸出將受到保護(hù)。由于 1N4099 的 6.8V 參考電壓,輸出將保持最大 6.8V。 現(xiàn)在看看上述電路如何充當(dāng)齊納二極管輸入保護(hù)電路并保護(hù)輸出免受超過(guò) 6.8V 的電壓影響。

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    齊納二極管輸入保護(hù)電路 在 V1 上的 6V 輸入電壓期間,輸出保持恒定在 5.999V(即 6.0V)。

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    齊納二極管輸入保護(hù)電路 在上述仿真中,輸入電壓為 6.8V。因此,輸出為 6.785V,接近 6.8V。讓我們進(jìn)一步增加輸入電壓并產(chǎn)生過(guò)壓情況。

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    齊納二極管輸入保護(hù)電路 現(xiàn)在,輸入電壓為 7.5V,高于 6.8V?,F(xiàn)在輸出仍然是 6.883V。這就是齊納二極管如何有效地將連接的電路從過(guò)壓情況中拯救出來(lái),而且當(dāng)電壓回到低于 6.8V 時(shí),電路將再次正常工作,如上一步所示。這意味著,與保險(xiǎn)絲不同,齊納二極管即使在過(guò)壓情況下也不會(huì)損壞。 在上述電路中,可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齊納二極管來(lái)選擇不同的過(guò)壓裕。

    2、齊納穩(wěn)壓電路

    齊納穩(wěn)壓器可保護(hù)電路免受過(guò)壓影響,并調(diào)節(jié)輸入電源電壓。使用齊納穩(wěn)壓器進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)的電路圖如下: ?

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    齊納穩(wěn)壓電路 電路的預(yù)設(shè)電壓值是電源斷開(kāi)或不允許任何高于該值的電壓的臨界值。這里的預(yù)設(shè)電壓值是齊納二極管的額定值。比如,我們使用的是 5.1V 齊納二極管,那么輸出電壓不會(huì)超過(guò) 5.1v。 當(dāng)輸出電壓增加時(shí),基極-發(fā)射極電壓降低,由于這個(gè)晶體管Q1導(dǎo)通較少。由于 Q1 導(dǎo)通較少,它會(huì)降低輸出電壓,從而保持輸出電壓恒定。?輸出電壓定義為:?VO = VZ - VBE?VO 是輸出電壓 VZ 是齊納擊穿電壓 VBE 是基極-發(fā)射極電壓

    3、使用齊納二極管的過(guò)壓保護(hù)電路

    下面的過(guò)壓保護(hù)電路圖是使用齊納二極管和 PNP 晶體管構(gòu)建的。當(dāng)電壓超過(guò)預(yù)設(shè)水平時(shí),該電路會(huì)斷開(kāi)輸出。預(yù)設(shè)值是連接到電路的穩(wěn)壓二極管的額定值。甚至可以根據(jù)合適的電壓值更改齊納二極管。該電路的缺點(diǎn)是你可能找不到齊納二極管的確切值,因此請(qǐng)選擇與您的預(yù)設(shè)值最接近的額定值。

    1)所需材料

    FMMT718 PNP 晶體管 – 2 個(gè)。

    齊納二極管 5.1V (1N4740A) – 1nos.

    電阻(1k、2.2k 和 6.8k)– 1 個(gè)。(每個(gè))

    面包板

    連接電線

    2)過(guò)壓保護(hù)電路

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    過(guò)壓保護(hù)電路圖

    3)過(guò)壓保護(hù)原理

    當(dāng)電壓低于預(yù)設(shè)電平時(shí),Q2 的基極為高電平,由于它是一個(gè) PNP 晶體管,它關(guān)閉。并且,當(dāng) Q2 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),Q1 的基極端子將為低電平,它允許電流流過(guò)它。 現(xiàn)在,當(dāng)電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),齊納二極管開(kāi)始導(dǎo)通,將 Q2 的基極接地并打開(kāi) Q2。當(dāng) Q2 導(dǎo)通時(shí),Q1 的基極端子變?yōu)楦唠娖讲⑶?Q1 導(dǎo)通,這意味著 Q1 充當(dāng)開(kāi)路開(kāi)關(guān)。因此,Q1 不允許電流流過(guò)它并保護(hù)負(fù)載免受超過(guò)電壓的影響。 現(xiàn)在我們還需要考慮晶體管上的電壓降,它應(yīng)該很低以保證電路的正確精度。所以我們使用了 FMMT718 PNP 晶體管,它表現(xiàn)出非常低的 VCE 飽和值,因此晶體管上的電壓降很低。

    4、如何選擇用于過(guò)壓保護(hù)的齊納二極管?

    下一個(gè)重要部分是選擇齊納二極管值,主要有以下幾個(gè)方面:

    1)選擇齊納二極管的電壓

    這是齊納二極管將充當(dāng)閉合電路并保護(hù)負(fù)載免受過(guò)壓影響的電壓值。對(duì)于上面的示例,齊納電壓為 6.8V。 在某些情況下,目標(biāo)齊納二極管電壓不可用。在這種情況下,可以選擇接近值的齊納二極管。例如,對(duì)于高達(dá) 7V 的過(guò)壓保護(hù),6.8V 齊納二極管是一個(gè)接近值。

    2)計(jì)算連接在過(guò)壓保護(hù)電路兩端的負(fù)載電流

    對(duì)于我們上面討論的示例,它是 50mA。除了負(fù)載電流,齊納二極管還需要偏置電流。因此,總電流應(yīng)等于負(fù)載電流加上齊納二極管偏置電流。對(duì)于上面討論的例子,它可以是 總電流 = 50mA + 10mA = 60mA

    3)齊納二極管具有額定功率

    因此,適當(dāng)?shù)纳嵝枰m當(dāng)?shù)念~定功率齊納二極管。額定功率可以根據(jù)步驟 - 2 中計(jì)算的總電流(60mA)計(jì)算得出。因此,齊納二極管的額定功率等于齊納二極管的電壓,與流過(guò)二極管的總電流有關(guān)。 對(duì)于我們上面的例子, 額定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。 因此,一個(gè) 500mW 的齊納二極管就足夠了。

    4)通過(guò)微分源電壓和一般電壓來(lái)計(jì)算電阻值

    源電壓將是可以施加到電路的最大值。例如,可能發(fā)生或可以作為電源電壓施加的最大過(guò)電壓可以是 13V。 因此,電阻兩端的電壓降將為 = 13V-6.8V = 6.2V 根據(jù)歐姆定律,電阻值將為 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可選擇標(biāo)準(zhǔn)值 100R 電阻。

    四、晶閘管撬棒(SCR Crowbar)過(guò)壓保護(hù)電路

    顧名思義,撬棍電路會(huì)在出現(xiàn)過(guò)壓情況時(shí)在電源輸出端短路,這會(huì)將輸出線短路到地。 通常晶閘管,即 SCR 用于此目的,因?yàn)樗鼈兛梢郧袚Q大電流并保持導(dǎo)通狀態(tài),直到任何電荷散去。晶閘管可以連接回保險(xiǎn)絲,該保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷并隔離調(diào)節(jié)器,使其不會(huì)承受任何進(jìn)一步的電壓。

    1、晶閘管撬棒過(guò)壓保護(hù)電路

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    晶閘管撬棒過(guò)電壓保護(hù)電路 在此電子電路設(shè)計(jì)中,選擇了齊納二極管,使其電壓高于輸出的正常工作電壓,但低于會(huì)發(fā)生損壞的電壓。

    2、晶閘管撬棒過(guò)壓保護(hù)原理

    在這種狀態(tài)下,沒(méi)有電流流過(guò)齊納二極管,因?yàn)樯形催_(dá)到其擊穿電壓,并且沒(méi)有電流流入晶閘管的柵極并保持關(guān)閉狀態(tài)。電源將正常工作。如果電源中的串聯(lián)傳輸晶體管發(fā)生故障,電壓將開(kāi)始上升 - 單元中的去耦將確保它不會(huì)立即上升。 隨著它的上升,它將上升到齊納二極管開(kāi)始導(dǎo)通的點(diǎn)以上,電流將流入晶閘管的柵極,導(dǎo)致其觸發(fā)。當(dāng)晶閘管觸發(fā)時(shí),它會(huì)將電源的輸出短路到地,以防止損壞其供電的電路。 這種短路也可用于燒斷保險(xiǎn)絲或其他元件,切斷電壓調(diào)節(jié)器的電源,并使設(shè)備免受進(jìn)一步損壞。 通常在晶閘管的柵極與地之間放置一些小電容形式的去耦,以防止尖銳的瞬變或來(lái)自正在供電的單元的?RF?進(jìn)入柵極連接并導(dǎo)致寄生觸發(fā)。然而,這個(gè)電容不應(yīng)做得太大,因?yàn)樗赡軙?huì)在實(shí)際發(fā)生故障的情況下減慢電路的啟動(dòng)速度,并且保護(hù)可能會(huì)太慢。

    3、關(guān)于晶閘管 Crowbar 過(guò)壓保護(hù)的注意事項(xiàng):

    晶閘管或 SCR,可控硅整流器可用于在電源電路中提供過(guò)壓保護(hù)。通過(guò)檢測(cè)高壓,電路可以觸發(fā)晶閘管以在電壓軌上設(shè)置短路或短路器,以確保它不會(huì)升至高電壓。

    五、電壓鉗位過(guò)壓保護(hù)

    另一種非常簡(jiǎn)單的過(guò)電壓保護(hù)形式使用稱為電壓鉗位的方法。在其最簡(jiǎn)單的形式中,它可以通過(guò)使用放置在穩(wěn)壓電源輸出端的齊納二極管來(lái)提供。 選擇略高于最大軌電壓的齊納二極管電壓,在正常情況下它不會(huì)導(dǎo)通。如果電壓升得太高,它將開(kāi)始導(dǎo)通,將電壓鉗位在略高于軌電壓的值。 如果穩(wěn)壓電源需要更高的電流能力,則可以使用帶有晶體管緩沖器的齊納二極管。這將增加簡(jiǎn)單齊納二極管電路的電流能力,增加的系數(shù)等于晶體管的電流增益。由于此電路需要功率晶體管,因此電流增益水平可能較低 - 可能為 20 - 50。

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    齊納二極管過(guò)壓鉗位(a) - 簡(jiǎn)單的齊納二極管,(b) - 帶晶體管緩沖器的更高電流

    六、電壓限制

    當(dāng)開(kāi)關(guān)模式電源需要過(guò)壓保護(hù)時(shí),由于功率耗散要求以及組件的可能尺寸和成本,SMPS?鉗位和短路器技術(shù)的使用不太廣泛。 幸運(yùn)的是,大多數(shù)開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器在低電壓條件下失效。然而,在出現(xiàn)過(guò)壓情況時(shí)設(shè)置電壓限制功能通常是比較常見(jiàn)的做法。 這通??梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)過(guò)壓條件并關(guān)閉轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這尤其適用于?DC-DC 轉(zhuǎn)換器的情況。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí),有必要在主?IC?穩(wěn)壓器外部加入一個(gè)感測(cè)回路——許多開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分電路。 使用外部感測(cè)回路非常重要,因?yàn)槿绻_(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器芯片損壞導(dǎo)致過(guò)壓情況,感測(cè)機(jī)制也可能損壞。不過(guò)這種形式的過(guò)電壓保護(hù)需要特定于所用特定電路和開(kāi)關(guān)模式電源芯片的電路。 以上就是關(guān)于過(guò)壓保護(hù)電路的知識(shí),有問(wèn)題歡迎在評(píng)論區(qū)留言,大家一起討論。


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