線性電源過壓保護電路的類型與優缺點介紹

盡管現代電源現在非常可靠，但它們總是有很小但真實的可能性發生故障。

電源可能以多種方式發生故障，一種特別令人擔憂的可能性是線性電源的串聯調整元件（即主傳輸晶體管或 FET）可能會發生短路。

如果發生這種情況，正在供電的電路上可能會出現非常大的電壓，通常稱為過電壓，從而對整個設備造成災難性損壞。

通過在電子電路設計階段以過壓保護的形式添加一些額外的保護電路，可以防止這種不太可能但災難性的可能性。

大多數為高價值設備非常可靠運行而設計的電源都會在電子電路設計中加入某種形式的過壓保護，以確保任何電源故障都不會對供電設備造成損壞。這既適用于線性電源，也適用于開關模式電源。

有些電源可能沒有過壓保護，這些電源不應用于為昂貴的設備供電 - 可以做一些電子電路設計，開發一個小型過壓保護電路，并將其作為額外項目添加。

過壓保護基礎知識

電源故障的方式有很多種。然而，要更多地了解過壓保護和電子電路設計問題，很容易舉一個使用非常簡單的齊納二極管和串聯傳輸晶體管的線性穩壓器的簡單例子。

使用齊納二極管和發射極跟隨器的基本串聯穩壓器

雖然更復雜的電源可提供更好的性能，但它們也依賴于串聯晶體管來傳遞輸出電流。主要區別在于穩壓器電壓施加到晶體管基極的方式。

通常，輸入電壓使得串聯穩壓器元件兩端的電壓下降幾伏。這使得串聯傳輸晶體管能夠充分調節輸出電壓。

通常，串聯傳輸晶體管上的壓降相對較高 - 對于 12 伏電源，輸入可能更高 18 伏，以提供所需的調節和紋波抑制等。

這意味著穩壓器元件中可能會有大量的散熱，再加上輸入端可能出現的任何瞬態尖峰，這意味著總是存在故障的可能性。

晶體管串聯傳輸器件通常在開路條件下失效，但在某些情況下，晶體管可能會在集電極和發射極之間發生短路。對于FET，等效值是漏極和源極之間的短路。

如果集電極和發射極之間發生短路，或者FET漏極和拉極之間發生短路，則穩壓器的輸出端會出現完全未穩壓的輸入電壓。

如果輸出端出現全電壓，則可能會損壞所供電電路中的許多IC。在這種情況下，電路很可能超出經濟修復范圍。

開關穩壓器的工作方式非常不同，但在某些情況下，電源的輸出端可能會出現全輸出。

對于線性穩壓電源和開關模式電源，始終建議采用某種形式的過壓保護。

過電壓保護的類型

與許多電子技術一樣，有幾種方法可以實現特定功能。過壓保護也是如此。

可以使用幾種不同的技術，每種技術都有自己的特點。在電子電路設計階段確定使用哪種方法時，需要權衡性能、成本、復雜性和操作模式。

SCR撬棍過壓保護

顧名思義，如果遇到過壓情況，撬棍電路會在電源輸出端短路。這會使輸出線對地短路。

通常使用晶閘管，即 SCR，因為它們可以切換大電流并保持導通狀態，直到任何電荷分散。晶閘管可以連接回保險絲，保險絲熔斷并隔離穩壓器，使其免受任何進一步的電壓影響。

晶閘管撬棍過壓保護電路

在這種電子電路設計中，選擇齊納二極管時，其電壓高于輸出的正常工作電壓，但低于可能發生損壞的電壓。

在這種狀態下，沒有電流流過齊納二極管，因為尚未達到其擊穿電壓，并且沒有電流流入晶閘管的柵極，并且晶閘管保持關斷狀態。電源將正常運行。

如果電源中的串聯傳輸晶體管發生故障，電壓將開始上升 - 單元中的去耦將確保它不會立即上升。

當它上升時，它將上升到齊納二極管開始導通的點以上，電流將流入晶閘管的柵極，導致其觸發。

當晶閘管觸發時，它會將電源的輸出短路到地，防止損壞其供電的電路。

這種短路也可用于熔斷保險絲或其他元件，斷開電壓調節器的電源并隔離設備免受進一步損壞。

通常，從晶閘管的柵極到地放置一些小電容器形式的去耦，以防止來自單元電源的尖銳瞬變或射頻進入柵極連接并導致雜散觸發。

但是，該電容器不應做得太大，因為它可能會在實際故障情況下減慢電路點火速度，并且保護可能太慢。

電壓箝位過壓保護

另一種非常簡單的過壓保護形式使用一種稱為電壓鉗位的方法。在最簡單的形式中，它可以通過在穩壓電源的輸出端放置一個齊納二極管來提供。

如果選擇齊納二極管電壓略高于最大電源軌電壓，則在正常情況下它不會導通。如果電壓上升過高，則它將開始導通，將電壓箝位在略高于軌電壓的值。

如果穩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。這將增加簡單齊納二極管電路的電流能力，其系數等于晶體管的電流增益。由于該電路需要功率晶體管，因此可能的電流增益水平將很低 - 可能為 20 - 50。

齊納二極管過壓箝位

（a） - 簡單的齊納二極管，（b） - 帶晶體管緩沖器的更高電流

電壓限制

當開關模式電源需要過壓保護時，由于功耗要求以及組件的尺寸和成本可能，SMPS、鉗位和撬棍技術的應用不太廣泛。

幸運的是，大多數開關模式穩壓器在低電壓條件下失效。然而，在過壓情況下，通常謹慎的做法是設置電壓限制功能。

這通常可以通過檢測過壓條件并關閉轉換器來實現。這尤其適用于DC-DC轉換器。在實現這一點時，有必要在主IC穩壓器之外加入一個檢測環路 - 許多開關模式穩壓器和DC-DC轉換器使用芯片來實現大部分電路。

使用外部檢測環路非常重要，因為如果開關模式穩壓器芯片損壞導致過壓情況，檢測機制也可能損壞。

顯然，這種形式的過壓保護需要特定于特定電路和所用開關模式電源芯片的電路。

這三種技術都得到了應用，可以提供有效的電源過壓保護。每種方法都有其自身的優點和缺點，需要根據給定的情況來選擇技術。

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