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电源过流保护的基本原理

2022年4月5日作者 Bruce Rose - 7分钟阅读

电源过流保护的基本原理

介绍

作为工程师,我们经常研究“假设”场景,以确保我们的设计在尽可能多的应用条件下发挥作用。对于我们的设计无法正常发挥作用的情况,我们至少希望我们的产品不会发生损坏,或者我们的设计不会损坏其他组件。使用电源时,常见的一个问题是“如果电源的输出负载电流超过电源的电流额定值会怎么样”。在本文中,我们将讨论超出额定负载时电源设计中采用的常见应对方法。

理想的电源

尽管我们最常称之为“电源”(本义为“功率源”),但它一般是指“电压源”。这两种设计之间的区别是:无论负载电压或负载电流是多少,理想的“电源”都能为负载提供恒定功率(图1)。无论负载电流是多少,理想的电压源都能为负载提供恒定电压(图2)。我们无法设计、构建或购买理想的电压源,因为理想的电压源要能够向负载提供无限的电流(和功率)。尽管我们提到我们讨论的是电压源而不是功率源,但我们将继续在讨论中普遍使用(误用的)“电源”一词。

恒定功率
图1:恒定功率
恒定电压
图2:恒定电压

电源电流限制

如上所述,所有电源都将具有某种形式的电流限制,但大多都是可控且无害的。这篇文章讨论的重点是限制电源的输出电流,以在负载需要过多电流时保护电源以免损坏电源的情况。输入电流限制常常通过将一根保险丝与一两个输入导体串联的形式实现。这种电流限制措施用于保护上游电源和导体,并且假设在吸收的输入电流大到足以熔断输入保险丝时,带有输入保险丝的电源已经损坏。一些应用(例如,充电电池)需要配备严格受控的电流限制措施来确保稳定运行。如果需要严格受控的电流限制措施,则需要与电源供应商商议,大多数电源采用宽松的电流限制措施,仅用于保护电源免受损坏。限制电源输出电流的一些常见方法包括保险丝电流限制、恒定电流限制、折返电流限制和断续电流限制。

保险丝电流限制

也许最简单的电源输出电流限制形式就是将保险丝与电源的输出端子串联放置(图3)。此方法对于电源有效但通常不会被采用,因为它相对容易吸收过多负载电流(即导致输出端子或电源插头短路)且会意外熔断保险丝。此外,电源中的输出电流限制功能保护内部半导体部件,使其在负载电流过大时免于损坏。可能很难选择一种既能足够快速地熔断来保护内部半导体,又能在电动机启动或负载电容器充电时不会熔断的保险丝。保险丝擅长保护导体,却不太擅长保护半导体。

电源输出端的保险丝
图3:电源输出端的保险丝

恒定电流限制

为限制电源输出电流而实现的一种常用方法是监控输出电流,在达到电流限制时降低输出电压,同时保持最大输出电流(图4)。在这种实现方式中,电流限制期间的输出电压取决于在电流限制运行期间负载产生的阻抗。这种电流限制方法相对易于实现,但当电源在电流限制运行期间以最大电流运行时,就会对输出电流通路中的组件施加应力。在负载吸收短时骤增的过量电流时,例如在电动机启动或旁路电容器充电期间,这种类型的电流限制措施会是最佳选择。没有意识到电源处于电流限制模式的用户可能会认为电源工作不正常,因为电源在电流限制模式下运行时,输出电压低于数据表规定的水平。

恒定电流限制
图4:恒定电流限制

折返电流限制

为了解决上述在恒定电流限制期间出现的组件应力问题,一些电源设计采用了折返电流限制。这种实现方式可能会让用户感到疑惑。在带有折返电流限制的电源中,检测到最大输出电流后,输出电压和输出电流都会降低(图5)。带有折返电流限制的电源没有典型表现,因此用户需要阅读数据表才能了解其选择的电源将会有何表现。如果负载是正在启动的电动机或正在充电的大量输入旁路解耦电容器,这种电源输出电流限制方法就可能引发问题。如果电源处于电流限制模式,而用户却在努力弄清电源未产生适当输出电压或电流的原因,此时折返行为就可能让用户产生疑惑。

折返电流限制
图5:折返电流限制

断续模式电流限制

目前在电源中用作电流限制的最常见实现方式可能就是所谓的断续模式。这种过流保护模式可以视为本篇讨论的前文中提到的保险丝保护的有源版本。配备断续模式电流限制保护之后,如果检测到过流情况,就会关闭电源的输出电压。经过指定的等待时间之后,就会重新构建电源的输出电压。如果过流情况仍然存在,则电源会重复关闭和等待过程。如果过流情况不复存在,电源就会继续以正常模式运行(图6)。

断续模式过流限制
图6:断续模式过流限制

断续模式的过流保护很容易在稳压器控制器芯片中实现,并能最大程度减少电源输出功率通路中各组件受到的过大电流应力。电动机启动负载以及一些具有大型输入滤波电容器组的情况都可能遇到断续模式过流保护问题。对于具有电动机负载的应用,如果电动机在电源开启期间未正常启动,则电动机将在电源输出电压的关闭期间减速,并且在下一个断续循环继续不启动。在这种情况下,由于电源输出电压的关闭时间,电动机一直不会启动(图7)。

电动机启动失败
图7:电动机启动失败

如果负载是数值较大的输入滤波器电容,同时还存在负载电流,就可能出现类似问题。如果首先将电源输出电压施加到已经放电的电容器,电容器就会吸收足够大的电流,能够让电源进入过流运行状态。电源关闭期间,如果除了电容器之外还存在负载电流,则负载电流就能让电容器在电源关闭期间充分放电,使得电容器永远无法充电到电源输出电压(图8)。

电容器和负载启动失败
图8:电容器和负载启动失败

如果负载电流足够低(或不存在),电容器就可能随着电源输出电压的脉冲进行阶梯式充电,并且电源和负载将在初次启动延迟后正常运行(图9)。

电容器延迟(但成功)启动
图9:电容器延迟(但成功)启动

结论

所有电源均具有电源输出电流限制。了解自己的电源使用哪种电流限制措施,从而获知电源在输出过流期间如何表现,对于用户而言非常有益。仅使用 DMM(数字万用表)观察电源的输出电压可能会令用户感到疑惑,因为此时的输出电压并非电源数据表中规定的值。

类别: 基础参数安全与合规


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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

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