防止電源在過電流條件下受損

為了確保電源在其生命周期內(nèi)安全可靠地運(yùn)行，通常會(huì)配備多種保護(hù)機(jī)制。其中一些機(jī)制在發(fā)生短路故障時(shí)限制輸出電流，防止電源元件過熱或損壞，從而使設(shè)備在故障排除后恢復(fù)正常運(yùn)行。然而，某些使用案例和負(fù)載在特定條件下可能會(huì)觸發(fā)這些保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致對故障源的混淆。因此，要判斷故障是出在電源本身還是被供電設(shè)備上，必須了解電源所采用的保護(hù)機(jī)制及其局限性。

什么是短路

多數(shù)工程師都曾親身經(jīng)歷過短路的后果：電線裸露的一端接觸到接地外殼，“啪”的一聲，電子元件就冒煙了。但在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須明確“短路”的定義，以構(gòu)建相應(yīng)的保護(hù)電路。通常，短路被定義為連接電阻低于1 Ω，或由于分流電阻導(dǎo)致輸出電壓下降至100 mV 以下的情形。在單輸出電源中，短路發(fā)生在 +VOUT 和 -VOUT 之間。

圖 1: 如果沒有合適的保護(hù)電路，短路會(huì)損壞電源。

從恒流限制、折返電流限制（fold-back current limitation）到打嗝模式（hiccup mode），電源保護(hù)方式多種多樣。但用戶并不一定能察覺到這些保護(hù)機(jī)制是否已被觸發(fā)，這使得故障診斷更加困難。此外，某些負(fù)載（如電容、電機(jī)）在某些條件下的電氣特性與短路類似，也可能誤觸保護(hù)機(jī)制。

恒流限制是如何工作的？

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，采用恒流限制的電源會(huì)在輸出電流不變的情況下，將輸出電壓降至幾乎為零。實(shí)際測量時(shí)，可能會(huì)有幾毫伏的殘余電壓。在這種情況下，保護(hù)電路會(huì)確保電源的輸出晶體管不受損。設(shè)備可以無限期地承受此種狀態(tài)，確保即使在無人值守時(shí)也能安全運(yùn)行。

務(wù)必了解的是，這與某些電源提供的“恒流過載保護(hù)”不同。數(shù)據(jù)手冊可能指定 “恒流模式” 的輸出電流為最大額定輸出的 105 – 130%，但長期在該條件下工作會(huì)損毀電源。

圖 2：限流電路持續(xù)輸出指定電流，同時(shí)將電壓降至接近零（左圖）。簡單的恒流限制電路（右圖）。

折返電流限制提供什么保護(hù)？

另一種保護(hù)機(jī)制是折返電流限制。一旦電流消耗超過預(yù)定值時(shí)，該機(jī)制就會(huì)降低電流與電壓。隨著電流消耗的增加，電流和電壓都會(huì)進(jìn)一步降低。由于該機(jī)制尚未統(tǒng)一定義，電源設(shè)計(jì)人員可根據(jù)具體需求靈活實(shí)現(xiàn)。在查找此類設(shè)備故障時(shí)，由于電壓與電流值似乎偏離數(shù)據(jù)手冊的正常范圍，這可能會(huì)造成混淆。

假設(shè)應(yīng)用的電流消耗經(jīng)常超過額定最大電流，但其水平不足以被視作短路。在這種情況下，電源仍有永久性損壞或故障的風(fēng)險(xiǎn)。而在真正的短路條件下，相較于恒流限制方法，折返電流限制能為電源更好地保護(hù)輸出晶體管。

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，采用恒流限制的電源會(huì)在輸出電流不變的情況下，將輸出電壓降至幾乎為零。實(shí)際測量時(shí)，可能會(huì)有幾毫伏的殘余電壓。在這種情況下，保護(hù)電路會(huì)確保電源的輸出晶體管不受損。設(shè)備可以無限期地承受此種狀態(tài)，確保即使在無人值守時(shí)也能安全運(yùn)行。

務(wù)必了解的是，這與某些電源提供的“恒流過載保護(hù)”不同。數(shù)據(jù)手冊可能指定 “恒流模式” 的輸出電流為最大額定輸出的 105 – 130%，但長期在該條件下工作會(huì)損毀電源。

圖 3：折返限流可同時(shí)降低輸出電流與電壓，電壓降低的精確量可能有所不同，且沒有統(tǒng)一定義。

然而，非線性和非歐姆負(fù)載可能引發(fā)問題。此類負(fù)載產(chǎn)生的大浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)致“鎖死”狀態(tài)，即電源進(jìn)入限流狀態(tài)后無法自動(dòng)退出的情況。

打嗝模式是如何保護(hù)電源的？

為了避免上述“鎖死”現(xiàn)象，一些設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制的“打嗝模式”保護(hù)。顧名思義，一旦檢測到短路情況，電源會(huì)定期反復(fù)嘗試重啟其輸出。由于輸出電路已關(guān)閉，晶體管、MOSFET 和肖特基二極管等元件的熱過載風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。同樣，與折返限流類似，打嗝模式也沒有實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，因此重啟嘗試的時(shí)間間隔可能從幾十毫秒到幾秒不等。

圖 4：打嗝模式通過在短路情況下關(guān)閉輸出來保護(hù)電源。然后，它會(huì)自動(dòng)嘗試重啟。

我應(yīng)該更換電源的內(nèi)部保險(xiǎn)絲嗎？

保險(xiǎn)絲是保護(hù)電源輸出的另一種方式。但它們的規(guī)格選擇比較困難，因?yàn)檎缥覀兯?，并非所有的大電流狀態(tài)都意味著短路。一旦保險(xiǎn)絲熔斷，就必須找到合適的替代品，而這可能并不總是唾手可得。這也是為什么電子保護(hù)機(jī)制是當(dāng)今先進(jìn)電源的標(biāo)準(zhǔn)配置。

電源會(huì)配有內(nèi)部保險(xiǎn)絲，旨在防止故障。但還是建議聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行分析。切勿自行打開或改裝電源。

文章作者：Simeon Tremp，產(chǎn)品經(jīng)理