盡管現(xiàn)代電源現(xiàn)在非常可靠，但它們總是有很小但真實的可能性發(fā)生故障。

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

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

通過在電子電路設(shè)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(zāi)難性的可能性。

大多數(shù)為高價值設(shè)備非常可靠運行而設(shè)計的電源都會在電子電路設(shè)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(shè)備造成損壞。這既適用于線性電源，也適用于開關(guān)模式電源。

有些電源可能沒有過壓保護，這些電源不應(yīng)用于為昂貴的設(shè)備供電 - 可以做一些電子電路設(shè)計，開發(fā)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(chǔ)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(shè)計問題，很容易舉一個使用非常簡單的齊納二極管和串聯(lián)傳輸晶體管的線性穩(wěn)壓器的簡單例子。

使用齊納二極管和發(fā)射極跟隨器的基本串聯(lián)穩(wěn)壓器

雖然更復(fù)雜的電源可提供更好的性能，但它們也依賴于串聯(lián)晶體管來傳遞輸出電流。主要區(qū)別在于穩(wěn)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(lián)穩(wěn)壓器元件兩端的電壓下降幾伏。這使得串聯(lián)傳輸晶體管能夠充分調(diào)節(jié)輸出電壓。

通常，串聯(lián)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(diào)節(jié)和紋波抑制等。

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

晶體管串聯(lián)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(fā)射極之間發(fā)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(fā)射極之間發(fā)生短路，或者FET漏極和拉極之間發(fā)生短路，則穩(wěn)壓器的輸出端會出現(xiàn)完全未穩(wěn)壓的輸入電壓。

如果輸出端出現(xiàn)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(jīng)濟修復(fù)范圍。

開關(guān)穩(wěn)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(xiàn)全輸出。

對于線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)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(shù)一樣，有幾種方法可以實現(xiàn)特定功能。過壓保護也是如此。

可以使用幾種不同的技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的特點。在電子電路設(shè)計階段確定使用哪種方法時，需要權(quán)衡性能、成本、復(fù)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(dǎo)通狀態(tài)，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(wěn)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(shè)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(fā)生損壞的電壓。

在這種狀態(tài)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(guān)斷狀態(tài)。電源將正常運行。

如果電源中的串聯(lián)傳輸晶體管發(fā)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(dāng)它上升時，它將上升到齊納二極管開始導(dǎo)通的點以上，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，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(diào)節(jié)器的電源并隔離設(shè)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(dǎo)致雜散觸發(fā)。

但是，該電容器不應(yīng)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(wěn)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(dǎo)通。如果電壓上升過高，則它將開始導(dǎo)通，將電壓箝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。這將增加簡單齊納二極管電路的電流能力，其系數(shù)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(dāng)開關(guān)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(shù)的應(yīng)用不太廣泛。

幸運的是，大多數(shù)開關(guān)模式穩(wěn)壓器在低電壓條件下失效。然而，在過壓情況下，通常謹(jǐn)慎的做法是設(shè)置電壓限制功能。

這通常可以通過檢測過壓條件并關(guān)閉轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。這尤其適用于DC-DC轉(zhuǎn)換器。在實現(xiàn)這一點時，有必要在主IC穩(wěn)壓器之外加入一個檢測環(huán)路 - 許多開關(guān)模式穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器使用芯片來實現(xiàn)大部分電路。

使用外部檢測環(huán)路非常重要，因為如果開關(guān)模式穩(wěn)壓器芯片損壞導(dǎo)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(guān)模式電源芯片的電路。

這三種技術(shù)都得到了應(yīng)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(yōu)點和缺點，需要根據(jù)給定的情況來選擇技術(shù)。

審核編輯：黃飛