电源设备保护电路的优化设计

2007-06-27 11:38:46来源: 中国电源网
0 引言

评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下,为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作,必须设计多种保护电路,比如防浪涌的软启动,防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。

1 有源电磁干扰滤波器的原理与应用

有源电磁干扰滤波器简称有源EMI 滤波器,它是把有源器件集成在微封装的芯片中,专门用来抑制电磁干扰的滤波器。与传统的无源EMI滤波器相比,有源EMI 滤波器不仅具有优良的噪声衰减特性,而且功能强大,有的还能实现热插拔,可大大节省印制板(PCB)的空间,适用于电源及电子设备、医疗仪器等领域。

有源EMI 滤波器的典型产品有美国Vicor 公司生产的QPI(Quiet Power Input)系列,主要包括QPI-3L~QPI-6L,QPI-8L。QPI系列EMI 滤波器的产品分类见表1。其中,QPI-8L 属于带热插拔(Hot-swap)功能的有源EMI滤波器。

  
1.1 QPI-8L型有源EMI滤波器的性能特点

QPI-8L符合直流48V或60V总线的要求,能对150 kHz~30MHz 的传导噪声(共模噪声及差模噪声)进行衰减,在250 kHz 时的共模噪声衰减能力大于40dB,差模噪声衰减能力大于70 dB。它能在80V直流电压下连续工作,并能承受100V直流浪涌电压,其对地绝缘电压为1500V,最大工作电流为6A,最大负载为200W。与无源EMI滤波器相比,共模噪声衰减能力可提高20dB,差模噪声衰减能力可提高10~30dB。具有浪涌电流限制及断路、可编程欠电压/过电压保护、电源电压正常指示等功能。默认的欠电压阈值为34V(关断时的滞后电压为2V);过电压阈值为76V(关断时的滞后电压为4V);利用外部分压电阻还可改变欠电压及过电压的阈值。使用方便,具有热插拔功能,允许带电插入或拔下有源EMI 滤波器。满载时的效率高于99%,特别适合滤除DC/DC 电源变换器的电磁干扰。利用厂家提供的QPI-EVAL1软件,可以很方便地对安装好的QPI-8L及终端设备进行测试。

1.2 QPI-8L型有源EMI 滤波器的工作原理

QPI-8L 的内部框图如图1 所示。BUS+、BUS-端分别接总线的正极、负极。SW端接受控于热插拔功能的满幅值负压。SHIELD为屏蔽端,与负载的屏蔽端、Y 电容的公共端接在一起。QPI+、QPI-分别接负载的正、负输入端。PWRGD(Power good)为电源电压正常指示的输出端(集电极开路输出),当电源电压不正常时该端输出低电平。UVEN端、OV端各接1个电阻分压器,分别设定欠电压、过电压阈值。主要包括以下5部分。

  
(1)热插拔功能电路;

(2)EMI滤波器;

(3)供欠电压检测用的内部分压电阻(R1、R2);

(4)供过电压检测用的内部分压电阻(R3、R4);

(5)P沟道MOSFET。

当电源电压不正常时MOSFET 关断,可将负载断开,起到保护作用。

QPI-8L在0.01~30 MHz频率范围内对共模噪声的最大衰减量约为70 dB,对差模噪声的最大衰减量可达82 dB。这是无源EMI 滤波器难以达到的指标。QPI-8L型有源EMI滤波器与3 种无源EMI 滤波器产品对差模噪声的插入损耗曲线图如图2 所示。图2中,曲线a 代表QPI-8L,曲线b、c、d 分别代表3 种无源EMI 滤波器典型产品。显然,QPI-8L 能在很宽的频率范围内抑制差模噪声。

  
1.3 有源电磁干扰滤波器的典型应用

QPI-8L的典型接线图如图3 所示,将它插在总线电源与DC/DC电源转换器之间。DC/DC 电源转换器直接安装在印制板上并加屏蔽罩。C2~C6为旁路电容,容量可选0.047μF。

2 集成过电压保护器件

近年来,随着亚微米制造工艺的进步,许多新型集成电路的工作电压愈来愈低,芯片承受过电压的能力也随之下降,这就使得保护电路的作用更加重要。过电压保护简称OVP(Over Voltage Protection)。集成过电压保护器件的典型产品有美国安森美(Onsemi)半导体公司推出的新型过电压保护集成电路NCP345,MAXIM 公司生产的MAX4843 系列( 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 种型号)。这类新器件的集成度高,体积小,能大大减少外部元器件的数量,降低过电压保护器的成本。可广泛用于手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、便携式CD机、汽车备用充电器及便携医疗设备中。下面以NCP345 为例,介绍集成过电压保护器件的原理与应用。

2.1 NCP345型集成过电压保护器的原理

NCP345 采用先进的Bi-CMOS 制造工艺,可承受30V的瞬态电压。它能在小于1μs的时间内迅速关断P 沟道MOSFET,确保负载不受损坏。其关断速度比低压CMOS 监测电路要快得多,后者在同样负载情况下只能承受12V的瞬态电压,而关断时间长达200μs。适合接在AC/DC电源适配器(或电池充电器)与负载之间,电池充电器可以是锂离子(Li-Ion)电池充电器、镍氢(NiMH)电池充电器。它具有过电压断电和欠电压锁定功能,能检测出过电压状况并迅速切断输入电源,避免因过电压或电源适配器出现故障而损坏电子设备。其额定过电压阈值的典型值为6.85V。

NCP345的内部框图如图4 所示。主要包括输入级电阻分压器(R1、R2),电压调节器,带隙基准电压源,欠电压锁定电路,具有滞后特性的控制逻辑,MOSFET 驱动器。只要发生以下3 种情况之一,OUT端就输出高电平将MOSFET关断。

  
(1)UCC下降到欠电压锁定阈值电压(2.8V)以下;

(2)IN端的输入电压高于过电压阈值(6.85V);

(3)CNTRL端输入为高电平。

只要在IN 端与UCC端之间接上电阻分压器,即可调节过电压阈值UOV。

2.2 NCP345 型集成过电压保护器的典型应用

目前,许多便携式电子产品都配有AC/DC 电源适配器,将交流电压转换成直流电压,给内部电池进行充电。一旦电源适配器中产生自激振荡等故障而出现过电压现象,就会损坏敏感的电子元器件。此外,倘若用户在充电过程中突然拔掉电池,也会产生幅值较高的瞬态电压,可能使产品毁坏。针对上述问题,可利用NCP345和MOSFET(P通道)构成过电压保护器,电路图如图5 所示。P通道MOSFET起到开关作用,选内部带保护二极管的MGSF3441 型MOSFET作为开关器件。其主要参数如下:漏- 源电压UDS=20 V,-源电压UGS=8.0V,漏极电流ID=1A,最大漏极电流IDM=20 A,最大功耗PDM=950 mW,通态电阻RDS(ON)=78 mΩ。二极管D 采用低压降的MBRM120(1A/20 V)型肖特基二极管,当IF=1 A、TA=25℃时的导通压降仅为0.34V,它与MOSFET 串联成一体,能防止电池短路。利用NCP345 可监视输入电压,仅在安全条件下才能开启MOSFET。稳压二极管DZ1、DZ2分别并联在输入端和负载端,起到过电压二次保护作用。

  
3 集成过电流保护器件

USB 是通用串行总线(Universal Serial Bus)的英文缩写。它是针对PC机外设的一种新型接口技术,具有传输速率快(USB 2.0 的传输速率为480Mbps)、即插即用、热插拔、低成本等特性。USB的电源和信号是通过四芯电缆来传输的。USB 2.0规范的电源指标如表2 所列。由于在USB 设备热插拔时会产生瞬间尖峰电流和浪涌电流,因此需要对USB接口、USB 集线器及计算机外设进行限流保护。

  
AAT4610A是美国先进模拟科技公司(AATI)于2005 年新推出的一种过电流保护电路,适配带USB 接口的各种计算机外设及便携式系统。其同类产品还有美国Vishay 公司生产的SiP4610A。AAT4610A 的内部电路主要包括欠电压闭锁电路、过热保护电路、比较放大器、P沟道MOSFET(带续流二极管)、1.2V基准电压源和限流保护电路。当欠压锁定阈值电压为1.8 V时,将P 沟道MOSFET关断;当电压恢复正常时自动使P 沟道MOSFET导通。

AAT4610A 的应用非常简单,只需串联在需要限流保护的电路中即可,电路图如图6 所示。需要控制的电流从IN端流入,从OUT端流出。C1、C2分别为输入端、输出端的滤波电容,宜采用陶瓷电容。RSET为极限电流设定电阻,其电阻值取决于所需极限电流ILIMIT,设定范围是130 mA~1A。在决定RSET的阻值时,必须考虑ILIMIT的变化。造成ILIMIT变化的原因有以下3种因素。

  
(1)从输入端到输出端的电压变化,这是由于P沟道功率MOSFET的压降而造成的;

(2)极限电流随温度而变化;

(3)极限电流还受输出电流的影响。

4 结语

本文主要介绍了3种新型保护器件的原理与应用,包括有源电磁干扰(EMI)滤波器、集成过电压保护器件、集成过电流保护器件。

开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能,但在恶劣环境及意外事故条件下,保护电路是否完善并按预定设置工作,对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收产品的技术指标时,还应对保护功能进行验证。

参考文献

[1] Vic or Inc. Advanc ed TCATM Hot-Swap SiP With Active EMI Filter,2005:1-7.
[2] 沙占友,马洪涛,睢丙东. 单片开关电源保护电路的设计[J]. 电工技术,2000.
[3] 沙占友. 单片机外围电路设计[M]. 电子工业出版社,2003, 220-222.

关键字:电磁  滤波  干扰  封装

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200706/14397.html
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