开关电源限流保护电路的类型及工作原理解析

以下文章来源于硬件狗哥，作者酷DOG007

在实际应用中，许多负载（尤其是感性负载）在启动或工作状态切换时，会产生远超额定值的瞬时大电流。例如，在驱动电梯、地铁屏蔽门等设备时，开关门瞬间的驱动电流极大，容易引发过载。对于这类应用，保护电路不能简单地“一刀切”，而是需要能够承受这种短时过（如1秒左右）而不立即中断，以保障系统的正常运行和可靠性。

目前，电力电子设备中常用的过流保护方式包括过流后立即保护、逐波限流、过载限流及短路保护等。然而，这些传统方法难以完全满足上述对感性负载的特定需求，即允许在一定时间内过载运行，同时要求保护电路具备快速的动态响应和高可靠性。本文将对此进行深入分析。

常用的限流保护电路

电阻初级限流电路

电阻初级限流是一种常见的自恢复型过流保护方式，其过电流保护点通常设定在额定电流的110%至130%之间。

如下图所示，这是一个基于控制芯片UC3845的典型过流保护电路，常用于反激或正激式开关电源中。其核心思想是通过检测变换器初级侧的电流，利用控制IC来调节PWM驱动信号的占空比，从而实现限流。

常用的过流保护电路

在该电路中，各关键引脚的功能如下：

引脚7 (VDD)：为UC3845提供启动和工作电压。

引脚2 (VFB)：误差放大器的反相输入端，用于接收反馈电压信号。此引脚电压越高，输出的驱动脉冲占空比则越小，从而稳定输出电压。

引脚4 (RT/CT) 和引脚8 (VREF)：外接的R54和C41共同决定了内部振荡器的工作频率，最高可达500kHz。

引脚6 (OUT)：输出PWM驱动方波信号，经过R8和R9分压后，驱动MOSFET功率管。

引脚3 (CS)：电流检测端，通过采样电阻（图中为R31）检测初级电流。当该引脚电压达到内部阈值时，PWM输出将被关闭，实现逐周期限流。

当时，变压器一次侧绕组的能量被传递至二次侧，经过整流滤波后，为负载提供稳定的直流电压。

逐波限流电路

逐波限流（Pulse-by-Pulse Current Limiting）电路主要应用于高频大功率开关电源中，作为一种快速的过载保护方案。

该电路通常采用高速比较器直接监测开关管的电流。这种设计简化了检测环节，显著提升了响应速度，从而有效缩短了从检测到过流到执行保护动作的时间。电路前级的RC滤波网络虽然会对限流速度产生一定影响，但它能有效抑制噪声干扰，避免因误触发而导致系统异常关断。

其工作机制为：当电路检测到开关管电流超过设定阈值时，会立即封锁该周期的驱动脉冲；过流信号消失后，驱动脉冲的封锁状态会一直保持，直到下一个驱动周期到来时再解除。这种方式不仅能对开关管的过载提供及时有效的保护，还避免了在单个开关周期内因振荡而引起的多次开关动作，减少了不必要的损耗和潜在的器件损伤。通常，在输出电流达到额定值的3.75至4.2倍时，该电路会实现精确的逐波限流。

逐波限流电路示意图

一种支持短时过载的精密限流电路

上述两种限流保护电路虽然能起到保护作用，但无法满足某些感性负载允许短时过载的需求。下面将介绍一种能够实现短时过载后，再将电流精确限制到额定值的控制电路。

电路原理图

一种安全可靠的过载限流电路

工作原理解析

我们以额定输出电流为20A为例，分三种情况对电路的工作原理进行解析。

① 当输出电流小于20A（正常工作状态）时：

此时，电流采样信号Iout电压低于阈值（66 mV/A × 20.4 A ≈ 1.346 V）。比较器U16-A的同相输入端（引脚1）因输入电压低而输出高电平（4.98 V）。该高电平通过电阻R98对电容C58充电，使比较器U16-B的同相输入端（引脚5）电压达到4.98 V。由于U16-B的反相输入端（引脚6）的参考电压为固定值3.3 V（由Vref、R96、R103分压得到），此时引脚5电压高于引脚6，故U16-B的输出端（引脚7）呈高阻态（悬空）。

在此状态下，主调节环路正常工作。电流采样信号（0 ~ 1.346 V）送至误差放大器U15-A的引脚2，与基准电压（引脚1）进行比较，稳定地控制输出电流在0 ~ 20A范围内。

② 当输出电流在20A ~ 50A之间（过载状态）时：

此时，电流采样信号Iout电压高于1.346 V。比较器U16-A的同相输入端（引脚1）电压超过其反相输入端基准，输出翻转为低电平（约0.2 V）。这导致先前充满电的电容C58通过R98、R101开始放电。

放电过程是一个延时环节。当U16-B的引脚5电压从4.98 V放电至低于引脚6的参考电压3.3 V时，比较器U16-B发生翻转，其输出端（引脚7）变为低电平（0.2 V）。根据电路参数计算，这个放电时间（即允许的过载时间）t₂ ≈ 1.96秒。

在1.96秒的延时期间，系统允许过载运行。延时结束后，U16-B输出的低电平将作用于后续控制环节，触发限流保护。

③ 当输出电流大于50A（严重过载状态）时：

此时，电流采样信号Iout电压远超阈值（> 66 mV/A × 50 A = 3.3 V）。比较器U16-A的输出（引脚1）迅速变为低电平，电容C58同样开始放电，延时时间t₂仍为1.96秒。

关键在于，在这1.96秒的放电过程中，调节信号Iadj（98.02 mV × 50 A = 4.98 V）已经达到了其最大量程（饱和值）。因此，误差放大器U15-A的基准电压（引脚3）被钳位在最大值。当1.96秒延时结束后，U16-B翻转，保护机制启动，通过调节环路将U15-A的基准电压（引脚3）强制拉低至约1.32 V，这个电压值恰好对应20A的输出电流。

最终，系统输出电流将从过载状态（例如50A或更高）被精确地限制并稳定在20A，从而实现了“允许短时过载，而后限流至额定电流”的保护功能。

限流电路的实际应用比较

如下表所示，对以上介绍的三种限流电路进行应用对比。

电阻初级限流	开关电源	小功率	小	较差	大
逐波限流	UPS/逆变器	大功率	大	较好	较小
额定限流	UPS/逆变器	中功率	介于两者之间	好	小
电路保护模式	应用范围	功率范围	电流大小	保护性能	功耗

三种限流电路的对比

(1) 电阻初级限流的特点

其优点在于电路结构简单，元器件数量少，调试过程相对便捷。但保护精度和响应速度相对较差。

(2) 逐波限流的特点

其特点是响应速度极快，能够在过流发生的瞬间封锁驱动脉冲。但设计时需精确控制延迟时间，避免因延迟过长导致限流点超出安全范围，同时也要防止因噪声干扰引发误触发。

(3) 额定电流限流电路的优点

其优势在于电路结构相对简洁，动态响应迅速且可靠性高。最重要的是，它能够满足部分感性负载等需要短时过载能力的应用场景，实现了保护功能与系统可用性的平衡。

划重点

电源是电子设备稳定运行的基石，而完善的保护措施则是保障电源自身及负载安全的关键。本文分析了三种典型的限流保护电路，重点介绍了一种支持短时过载的精密限流方案。通过对电路原理的解析可以看出，该方案能够在允许短时过载后，将电流精确地限制在额定值，有效保障了电源的稳定工作。

在实际工程设计中，除了本文讨论的电路，还存在基极驱动限流、无功耗限流等多种保护技术，它们各有优劣。设计者应根据具体的应用需求、成本及性能指标，选择最合适的限流保护电路，以实现理想的保护效果，从而提升电源乃至整个系统的可靠性。