开关电源保护电路分析优秀PPT.ppt

2.3 2.3 爱护电路爱护电路 一一 过流爱护电路过流爱护电路 1 过流爱护电路的功能和组成 *功能 发生过流时，马上某种方式消退过流，爱护电路器件不会损坏。*产生过流的缘由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 过流爱护电路的设计（1）电流传感器检测过流爱护电路*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*简洁的爱护方法 利用熔断器，但动作慢，不足以实现快速爱护，一般运用由电子元器件构成的爱护电路。*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复原造成的变压器次级短暂短路引起的。*过流信号处理电路 过流一般都是不正常现象，或者是故障，所以过流爱护应当是不行以自复原的。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*留意，与截止时的电压相区分。*具有快速、牢靠、便利的优点。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限制器的爱护信号输入端即可。*依据：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。二二 输出过压、欠压爱护电路输出过压、欠压爱护电路 1 过压、欠压状态的推断*比较器A用于输出过压推断。*比较器B用于输出欠压推断。*调整电阻R1、R2、R3可变更爱护点。、*正常时，UB=“0”；爱护时，UB=“1”。上限下限2 爱护 把过压、欠压推断电路的输出加到集成PWM限制器的爱护信号输入端即可。3 小功率电源中的过压爱护*利用稳压二极管结合过流爱护电路可实现。*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，使过流爱护电路动作。*对于瞬间的尖峰干扰，有吸取作用。三三 输入过压爱护电路输入过压爱护电路 1 输入连续过压爱护（1）基本方法*是在滤波电容后取样，对瞬间过压不起作用。*利用R6、R5、T1可变更基准电压，避开产生振荡现象。*爱护时，利用发出的爱护信号可封锁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 爱护不彻底，后级DC/DC变换器虽停止工作，功率开关得到爱护，但假如输入电压接着上升超过滤波电容的耐压值时，滤波电容会过压击穿。*在推断爱护后，发出爱护信号同时，限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：爱护彻底，适合中、大功率电源中应用；电路困难，成本高。2 输入瞬间过压爱护（1）缘由（2）爱护方法 *电网上电感性负载的开、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。*当沟通尖峰电压串入时，经EMI滤波器后，有了确定的衰减；*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，把尖峰能量吸取，电源得到爱护。*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。四四 软启动电路软启动电路 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，变更规律如图。*须要软启动的缘由，是由于电源输出滤波电容较大，起先工作时电容两端电压为零，未储能；假如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峻的过流冲击。易使过流或短路爱护动作，影响电源的正常启动及运用寿命。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起先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马上建立，但电容C的存在，使电压误差放大器同相输入端电压从零渐渐上升、使PWM脉冲宽度从零起先缓慢展宽。*关机时，电容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，输出软启动电路才起先工作。4 软启动限制电路设计 *在各种PWM限制芯片里，一般都有软启动限制电路，只须要在设置端外接一个电容即可。*如须要对其进行限制时：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。五五 过酷爱护过酷爱护 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，锗材料在100 以下。二二 功率开关管损耗计算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更的限制 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更时，会使结合面材料疲软，致使两个表面分别，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tvf后下降到零而关断。*关断时，iC稍一下降，二极管便起先导通、uce经很短时间tvr上升到Ui、电流才起先明显下降，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有确定的参考值。*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视二二 二极管损耗计算二极管损耗计算 1 二极管的反向复原损耗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，开通损耗可忽视。4 二极管的截止损耗二极管的截止漏电流很小，截止损耗可忽视。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 *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像：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像，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，天气的变更就是一种对流，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，对流和辐射可忽视不计；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 *表示介质传热的实力，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*依据热电相像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物体向它四周的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。*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。*该环路中流淌的是热功率*应当留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 *芯片到壳的热阻可通过厂家供应的手册查找*不供应时，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。*假如二者之间须要加绝缘，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，光滑表面，黑色氧化时，有阅历公式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）依据厂家产品手册选择散热器六 热设计留意问题（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）假如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。