選擇正確的電源保護方案很重要!

作者 : Bill Schweber,資深技術編輯

我們需要為電源添加哪些類型的保護?與往常一樣,答案是「取決於」電源本身、負載以及系統。

設計工程師們都知道,電源除了要能在發生負載和線路變化、系統瞬變以及雜訊等偏差的情況下提供穩定的DC (或AC)電壓之外,還必須要保護自己免受臨時和永久性故障(內部或外部)的影響,從而避免負載損壞。

電源保護涉及很多方面,許多案例會將以下這些方案結合使用:

  • 過載(過電流/短路)保護

包括典型的保險絲──熔斷體(fusible link)──可在負載路徑短路或開始吸收過多電流時對電源提供保護。許多電源由於只能提供一定量的電流而會「自我限制」,因此不需要使用保險絲——但是在某些法規管制情況下會需要。標準的保險絲是透過「熔斷」(開路)而停止電流流動,因此需要進行手動更換;這在某些情況下可能造成麻煩,但在別的情況下可能又是優點。此外還有電子保險絲,這種產品可以自動重設。

  • 限流(current limiting)和電流折返(current foldback)

這是過載保護的延伸,如果負載從電源吸收的電流超過設計極限,那麼電流折返就會將輸出電流和相關的電壓降低到低於正常工作極限的值。在極端情況下,如果負載發生短路,那麼電流就會被限制在最大值的一小部分,而輸出電壓顯然就會變為零。

  • 欠壓鎖定(Undervoltage lockout,UVLO)

UVLO保護在發現其輸入端電壓太低時,可確保讓DC/DC轉換器不嘗試運作(參考圖1)。這可能會是一個問題:首先如果電源輸出的直流電壓太低,那麼它就有可能不確定,這就可能導致系統問題。其次,即使電壓很低,它也可以防止「吸血鬼」從電源耗電——這有可能耗盡系統正在嘗試充電的電池。UVLO還有助於上電時序(power-on sequencing)的正常運作(如果有的化)。第三,如果DC/DC轉換器的輸入電壓過低而無法正常運作,其本身就可能受到損壞。

 

圖1:隨著電源從關閉轉向完全開啟,然後再回到關閉狀態,電源會經歷不同的模式;在此期間,如果電源的輸入電壓低於正常運作所需的最小值,那麼UVLO可以確保電源不嘗試開啟而提供輸出。

(圖片來源:TI)

 

  • 過壓保護(overvoltage protection,OVP)

OVP會在電源內部故障導致其輸出電壓上升到超過規定的最大值時啟動,從而保護負載免受損壞。當電壓超過某個預設水準時,OVP就會關閉電源或者對輸出進行鉗位(clamps)。OVP電路通常被稱為「撬棍」(crowbar)電路,大概是因為其作用與在電源輸出兩端放置一根金屬撬棍相同。而撬棍電路的設計最好是與電源本身無關。

一種典型的撬棍電路是僅在電源關閉(跳電)時才會重設。另一種類型則是,一旦清除了輸出電壓故障,它就會自動重設。後一種類型在引起撬棍跳開的情況很短暫時才有用,而非電源出現嚴重故障時。儘管現在大多數電源都內建撬棍,但許多供應商都提供了一個小型的獨立撬棍電路,而可以在需要時將其添加到現有電源中。

  • 熱過載保護(Thermal overload)

如果電源的冷卻方式設計不當或無法作用(例如風扇停止、氣流阻塞),就會發生熱過載情況。這時,電源就有可能超過其額定溫度值,從而嚴重縮短其壽命,甚至可能導致故障立即發生。解決方案很簡單:在電源內部或電源附近設置一個溫度感測電路。如果電源超過了預設極限,那麼就使電源進入靜態或停機模式。如果溫度下降,有部分溫度保險絲(thermal cutoffs)會自動使電源恢復運作,其他則不能。

  • 反向連接保護(Reverse-connection)

如果負載被反向連接──正電源輸出接到負電源軌(negative load rail),反之亦然──則反接保護就會阻止電流流動並使電壓歸零。在電池被斷開然後又重新連接的應用中,例如在汽車或者電池或其連接器未被鎖定的應用中,這種保護特別流行。

其他實用的電源保護元件包括金屬氧化物變阻器(metal oxide varistor,MOV)、正溫度係數(PTC)熱敏電阻、瞬態電壓抑制(TVS)二極體、氣體放電管(gas discharge tube,GDT),以及聚合物PTC自恢復保險絲。

要保護什麼、防止什麼以及如何進行,這一系列問題並不像看起來那麼簡單。我們需要為電源添加哪些類型的保護?與往常一樣,答案是「取決於」電源本身、負載以及系統。從IC (包括轉換器和穩壓器)到更大的模組,甚至主機殼/開架(chassis/open-frame)設備,雖然許多電源以及相關功能都會包含以上的幾種,但你可能會需要添加其他的。

你的首選電源保護方案是什麼?你為你的電源添加了哪些類型的保護?是出於你的工程判斷力還是曾經慘痛的經歷?歡迎分享!

 

責編:Judith Cheng 

(參考原文:Do You Have the Right Power-Supply Protections?,by Bill Schweber)

 

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