详解开关电源的4种过压保护电路

一、过压保护是什么意思？

过压保护是一种电源功能，当输入电压超过预设值时会切断电源，为了防止高压浪涌，通常会一些过压保护方法。 大多数电源都使用过电压保护电路来防止损坏电子元件。过电压条件的影响因电路而异，范围从损坏组件到降低组件性能并导致电路故障或火灾。 由于电源内部故障或配电线路等外部原因，电源可能会出现过压情况。 过电压的幅度和持续时间是设计有效保护时的一些主要考虑因素。保护涉及设置阈值电压，高于该阈值电压时，控制电路将关闭电源或将额外电压转移到电路的其他部分，例如电容器。

二、过压保护电路

关于过压保护，方法还是有许多的，这里主要介绍以下几种：

1、使用齐纳二极管的过压保护电路

2、晶闸管撬棒（SCR Crowbar）过压保护电路

3、电压钳位过压保护

4、电压限制

三、使用齐纳二极管的过压保护电路

在使用齐纳二极管的过压保护电路中，齐纳二极管和双极性晶体管用于自动过压保护，可以通过两种方式实现：

齐纳稳压电路

这种方法通过提供稳压电压来调节输入电压并保护电路免受过压， 但当电压超过安全限制时，它不会断开输出部分 ，将始终收到小于或等于齐纳二极管额定值的输出电压。

齐纳二极管过压保护电路

在过压保护的第二种方法中，每当输入电压超过预设水平时，它就会断开输出部分或负载与电路的连接。

1、如何保护电路免受过压？

考虑下图，我们需要微控制器的过电压保护。微控制器可以是任何在 IO 引脚上具有最大 5V 额定值的东西。因此，超过 5V 可能会损坏微控制器。

微控制器的过电压保护 上述电路中使用的齐纳二极管为 5.1V稳压二极管。它会在过压情况下正常工作。如果电压大于 5.1V，齐纳二极管将通过电流并控制电压高达 5.1V。但低于 5.1V，齐纳二极管将像普通二极管一样工作并阻断。 下图是齐纳二极管保护电路的仿真。

齐纳二极管保护电路的仿真 上面的原理图有一个输入电压，它是 V1。R1 和 D2 是保护输出免受过压保护的两个组件。在这种情况下，D2、1N4099 是一个 6.8V齐纳二极管。如果 V1 超过 6.8V，输出将受到保护。由于 1N4099 的 6.8V 参考电压，输出将保持最大 6.8V。 现在看看上述电路如何充当齐纳二极管输入保护电路并保护输出免受超过 6.8V 的电压影响。

齐纳二极管输入保护电路 在 V1 上的 6V 输入电压期间，输出保持恒定在 5.999V（即 6.0V）。

齐纳二极管输入保护电路 在上述仿真中，输入电压为 6.8V。因此，输出为 6.785V，接近 6.8V。让我们进一步增加输入电压并产生过压情况。

齐纳二极管输入保护电路 现在，输入电压为 7.5V，高于 6.8V。现在输出仍然是 6.883V。这就是齐纳二极管如何有效地将连接的电路从过压情况中拯救出来，而且当电压回到低于 6.8V 时，电路将再次正常工作，如上一步所示。这意味着，与保险丝不同，齐纳二极管即使在过压情况下也不会损坏。 在上述电路中，可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齐纳二极管来选择不同的过压裕。

2、齐纳稳压电路

齐纳稳压器可保护电路免受过压影响，并调节输入电源电压。使用齐纳稳压器进行过压保护的电路图如下：  

齐纳稳压电路 电路的预设电压值是电源断开或不允许任何高于该值的电压的临界值。这里的预设电压值是齐纳二极管的额定值。比如，我们使用的是 5.1V 齐纳二极管，那么输出电压不会超过 5.1v。 当输出电压增加时，基极-发射极电压降低，由于这个晶体管Q1导通较少。由于 Q1 导通较少，它会降低输出电压，从而保持输出电压恒定。 输出电压定义为： VO = VZ - VBE VO 是输出电压 VZ 是齐纳击穿电压 VBE 是基极-发射极电压

3、使用齐纳二极管的过压保护电路

下面的过压保护电路图是使用齐纳二极管和 PNP 晶体管构建的。当电压超过预设水平时，该电路会断开输出。预设值是连接到电路的稳压二极管的额定值。甚至可以根据合适的电压值更改齐纳二极管。该电路的缺点是你可能找不到齐纳二极管的确切值，因此请选择与您的预设值最接近的额定值。

1）所需材料

FMMT718 PNP 晶体管 – 2 个。

齐纳二极管 5.1V (1N4740A) – 1nos.

电阻（1k、2.2k 和 6.8k）– 1 个。（每个）

面包板

连接电线

2）过压保护电路

过压保护电路图

3）过压保护原理

当电压低于预设电平时，Q2 的基极为高电平，由于它是一个 PNP 晶体管，它关闭。并且，当 Q2 处于关闭状态时，Q1 的基极端子将为低电平，它允许电流流过它。 现在，当电压超过预设值时，齐纳二极管开始导通，将 Q2 的基极接地并打开 Q2。当 Q2 导通时，Q1 的基极端子变为高电平并且 Q1 导通，这意味着 Q1 充当开路开关。因此，Q1 不允许电流流过它并保护负载免受超过电压的影响。 现在我们还需要考虑晶体管上的电压降，它应该很低以保证电路的正确精度。所以我们使用了 FMMT718 PNP 晶体管，它表现出非常低的 VCE 饱和值，因此晶体管上的电压降很低。

4、如何选择用于过压保护的齐纳二极管？

下一个重要部分是选择齐纳二极管值，主要有以下几个方面：

1）选择齐纳二极管的电压

这是齐纳二极管将充当闭合电路并保护负载免受过压影响的电压值。对于上面的示例，齐纳电压为 6.8V。 在某些情况下，目标齐纳二极管电压不可用。在这种情况下，可以选择接近值的齐纳二极管。例如，对于高达 7V 的过压保护，6.8V 齐纳二极管是一个接近值。

2）计算连接在过压保护电路两端的负载电流

对于我们上面讨论的示例，它是 50mA。除了负载电流，齐纳二极管还需要偏置电流。因此，总电流应等于负载电流加上齐纳二极管偏置电流。对于上面讨论的例子，它可以是 总电流 = 50mA + 10mA = 60mA

3）齐纳二极管具有额定功率

因此，适当的散热需要适当的额定功率齐纳二极管。额定功率可以根据步骤 - 2 中计算的总电流（60mA）计算得出。因此，齐纳二极管的额定功率等于齐纳二极管的电压，与流过二极管的总电流有关。 对于我们上面的例子， 额定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。 因此，一个 500mW 的齐纳二极管就足够了。

4）通过微分源电压和一般电压来计算电阻值

源电压将是可以施加到电路的最大值。例如，可能发生或可以作为电源电压施加的最大过电压可以是 13V。 因此，电阻两端的电压降将为 = 13V-6.8V = 6.2V 根据欧姆定律，电阻值将为 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可选择标准值 100R 电阻。

四、晶闸管撬棒（SCR Crowbar）过压保护电路

顾名思义，撬棍电路会在出现过压情况时在电源输出端短路，这会将输出线短路到地。 通常晶闸管，即 SCR 用于此目的，因为它们可以切换大电流并保持导通状态，直到任何电荷散去。晶闸管可以连接回保险丝，该保险丝会熔断并隔离调节器，使其不会承受任何进一步的电压。

1、晶闸管撬棒过压保护电路

晶闸管撬棒过电压保护电路 在此电子电路设计中，选择了齐纳二极管，使其电压高于输出的正常工作电压，但低于会发生损坏的电压。

2、晶闸管撬棒过压保护原理

在这种状态下，没有电流流过齐纳二极管，因为尚未达到其击穿电压，并且没有电流流入晶闸管的栅极并保持关闭状态。电源将正常工作。如果电源中的串联传输晶体管发生故障，电压将开始上升 - 单元中的去耦将确保它不会立即上升。 随着它的上升，它将上升到齐纳二极管开始导通的点以上，电流将流入晶闸管的栅极，导致其触发。当晶闸管触发时，它会将电源的输出短路到地，以防止损坏其供电的电路。 这种短路也可用于烧断保险丝或其他元件，切断电压调节器的电源，并使设备免受进一步损坏。 通常在晶闸管的栅极与地之间放置一些小电容形式的去耦，以防止尖锐的瞬变或来自正在供电的单元的 RF 进入栅极连接并导致寄生触发。然而，这个电容不应做得太大，因为它可能会在实际发生故障的情况下减慢电路的启动速度，并且保护可能会太慢。

3、关于晶闸管 Crowbar 过压保护的注意事项：

晶闸管或 SCR，可控硅整流器可用于在电源电路中提供过压保护。通过检测高压，电路可以触发晶闸管以在电压轨上设置短路或短路器，以确保它不会升至高电压。

五、电压钳位过压保护

另一种非常简单的过电压保护形式使用称为电压钳位的方法。在其最简单的形式中，它可以通过使用放置在稳压电源输出端的齐纳二极管来提供。 选择略高于最大轨电压的齐纳二极管电压，在正常情况下它不会导通。如果电压升得太高，它将开始导通，将电压钳位在略高于轨电压的值。 如果稳压电源需要更高的电流能力，则可以使用带有晶体管缓冲器的齐纳二极管。这将增加简单齐纳二极管电路的电流能力，增加的系数等于晶体管的电流增益。由于此电路需要功率晶体管，因此电流增益水平可能较低 - 可能为 20 - 50。

齐纳二极管过压钳位(a) - 简单的齐纳二极管，(b) - 带晶体管缓冲器的更高电流

六、电压限制

当开关模式电源需要过压保护时，由于功率耗散要求以及组件的可能尺寸和成本，SMPS 钳位和短路器技术的使用不太广泛。 幸运的是，大多数开关模式稳压器在低电压条件下失效。然而，在出现过压情况时设置电压限制功能通常是比较常见的做法。 这通常可以通过检测过压条件并关闭转换器来实现。这尤其适用于 DC-DC 转换器的情况。实现这一点时，有必要在主 IC 稳压器外部加入一个感测回路——许多开关模式稳压器和 DC-DC 转换器使用一个芯片来实现大部分电路。 使用外部感测回路非常重要，因为如果开关模式稳压器芯片损坏导致过压情况，感测机制也可能损坏。不过这种形式的过电压保护需要特定于所用特定电路和开关模式电源芯片的电路。 以上就是关于过压保护电路的知识，有问题欢迎在评论区留言，大家一起讨论。

审核编辑：黄飞