電源過流保護的核心機制解析

電源過流 作為工程師，我們經(jīng)常研究“假設(shè)”場景，以確保我們的設(shè)計在盡可能多的應(yīng)用條件下發(fā)揮作用。對于我們的設(shè)計無法正常發(fā)揮作用的情況，我們至少希望我們的產(chǎn)品不會發(fā)生損壞，或者我們的設(shè)計不會損壞其他組件。使用電源時，常見的一個問題是“如果電源的輸出負載電流超過電源的電流額定值會怎么樣”。在本文中，我們將討論超出額定負載時電源設(shè)計中采用的常見應(yīng)對方法。

理想的電源

盡管我們最常稱之為“電源”（本義為“功率源”），但它一般是指“電壓源”。這兩種設(shè)計之間的區(qū)別是：無論負載電壓或負載電流是多少，理想的“電源”都能為負載提供恒定功率（圖1）。無論負載電流是多少，理想的電壓源都能為負載提供恒定電壓（圖2）。我們無法設(shè)計、構(gòu)建或購買理想的電壓源，因為理想的電壓源要能夠向負載提供無限的電流（和功率）。盡管我們提到我們討論的是電壓源而不是功率源，但我們將繼續(xù)在討論中普遍使用（誤用的）“電源”一詞。

圖1：恒定功率

圖2：恒定電壓

電源電流限制

如上所述，所有電源都將具有某種形式的電流限制，但大多都是可控且無害的。這篇文章討論的重點是限制電源的輸出電流，以在負載需要過多電流時保護電源以免損壞電源的情況。輸入電流限制常常通過將一根保險絲與一兩個輸入導(dǎo)體串聯(lián)的形式實現(xiàn)。這種電流限制措施用于保護上游電源和導(dǎo)體，并且假設(shè)在吸收的輸入電流大到足以熔斷輸入保險絲時，帶有輸入保險絲的電源已經(jīng)損壞。一些應(yīng)用（例如，充電電池）需要配備嚴格受控的電流限制措施來確保穩(wěn)定運行。如果需要嚴格受控的電流限制措施，則需要與電源供應(yīng)商商議，大多數(shù)電源采用寬松的電流限制措施，僅用于保護電源免受損壞。限制電源輸出電流的一些常見方法包括保險絲電流限制、恒定電流限制、折返電流限制和斷續(xù)電流限制。

保險絲電流限制

也許最簡單的電源輸出電流限制形式就是將保險絲與電源的輸出端子串聯(lián)放置（圖3）。此方法對于電源有效但通常不會被采用，因為它相對容易吸收過多負載電流（即導(dǎo)致輸出端子或電源插頭短路）且會意外熔斷保險絲。此外，電源中的輸出電流限制功能保護內(nèi)部半導(dǎo)體部件，使其在負載電流過大時免于損壞。可能很難選擇一種既能足夠快速地熔斷來保護內(nèi)部半導(dǎo)體，又能在電動機啟動或負載電容器充電時不會熔斷的保險絲。保險絲擅長保護導(dǎo)體，卻不太擅長保護半導(dǎo)體。

圖3：電源輸出端的保險絲

恒定電流限制

為限制電源輸出電流而實現(xiàn)的一種常用方法是監(jiān)控輸出電流，在達到電流限制時降低輸出電壓，同時保持最大輸出電流（圖4）。在這種實現(xiàn)方式中，電流限制期間的輸出電壓取決于在電流限制運行期間負載產(chǎn)生的阻抗。這種電流限制方法相對易于實現(xiàn)，但當電源在電流限制運行期間以最大電流運行時，就會對輸出電流通路中的組件施加應(yīng)力。在負載吸收短時驟增的過量電流時，例如在電動機啟動或旁路電容器充電期間，這種類型的電流限制措施會是最佳選擇。沒有意識到電源處于電流限制模式的用戶可能會認為電源工作不正常，因為電源在電流限制模式下運行時，輸出電壓低于數(shù)據(jù)表規(guī)定的水平。

圖4：恒定電流限制

折返電流限制

為了解決上述在恒定電流限制期間出現(xiàn)的組件應(yīng)力問題，一些電源設(shè)計采用了折返電流限制。這種實現(xiàn)方式可能會讓用戶感到疑惑。在帶有折返電流限制的電源中，檢測到最大輸出電流后，輸出電壓和輸出電流都會降低（圖5）。帶有折返電流限制的電源沒有典型表現(xiàn)，因此用戶需要閱讀數(shù)據(jù)表才能了解其選擇的電源將會有何表現(xiàn)。如果負載是正在啟動的電動機或正在充電的大量輸入旁路解耦電容器，這種電源輸出電流限制方法就可能引發(fā)問題。如果電源處于電流限制模式，而用戶卻在努力弄清電源未產(chǎn)生適當輸出電壓或電流的原因，此時折返行為就可能讓用戶產(chǎn)生疑惑。

圖5：折返電流限制

斷續(xù)模式電流限制

目前在電源中用作電流限制的最常見實現(xiàn)方式可能就是所謂的斷續(xù)模式。這種過流保護模式可以視為本篇討論的前文中提到的保險絲保護的有源版本。配備斷續(xù)模式電流限制保護之后，如果檢測到過流情況，就會關(guān)閉電源的輸出電壓。經(jīng)過指定的等待時間之后，就會重新構(gòu)建電源的輸出電壓。如果過流情況仍然存在，則電源會重復(fù)關(guān)閉和等待過程。如果過流情況不復(fù)存在，電源就會繼續(xù)以正常模式運行（圖6）。

圖6：斷續(xù)模式過流限制斷續(xù)模式的過流保護很容易在穩(wěn)壓器控制器芯片中實現(xiàn)，并能最大程度減少電源輸出功率通路中各組件受到的過大電流應(yīng)力。電動機啟動負載以及一些具有大型輸入濾波電容器組的情況都可能遇到斷續(xù)模式過流保護問題。對于具有電動機負載的應(yīng)用，如果電動機在電源開啟期間未正常啟動，則電動機將在電源輸出電壓的關(guān)閉期間減速，并且在下一個斷續(xù)循環(huán)繼續(xù)不啟動。在這種情況下，由于電源輸出電壓的關(guān)閉時間，電動機一直不會啟動（圖7）。

圖7：電動機啟動失敗如果負載是數(shù)值較大的輸入濾波器電容，同時還存在負載電流，就可能出現(xiàn)類似問題。如果首先將電源輸出電壓施加到已經(jīng)放電的電容器，電容器就會吸收足夠大的電流，能夠讓電源進入過流運行狀態(tài)。電源關(guān)閉期間，如果除了電容器之外還存在負載電流，則負載電流就能讓電容器在電源關(guān)閉期間充分放電，使得電容器永遠無法充電到電源輸出電壓（圖8）。