稳压电源模块短路保护电路设计
电路一点通 2024-09-13
《·稳压电源模块短路保护设计(一)》三端稳压器(比如7805)输出电压通常要供给多个芯片,当其中一个芯片短路时势必导致稳压器输出短路,从而导致连锁短路,使大面积电路工作失效或损坏。试设计一个稳压器输出短路保护电路。

【构思】7805的“全素”应用电路如下,我们从这个最基本的电路开始构建短路保护电路。


当输出短路时,通过7805的电流猛增,我们的目标是使使这个电流降下来,从而保护7805使其不至因热击穿而损坏。联想到串联型稳压电源的大功率调整管具有随电流机动分压的作用,我们不妨在7805的输入端串入一个PNP调整管(显然,发射极应接电源输入端Ui,集电极接7805的输入端):


接下来我们要实现:当主回路(Ui到Uo)电流大增时,调整管Q1导通程度下降(相当于Q1的EC极之间压降增大),从而使7805输入电压下降,相应地限制其输出。这相当于减小Q1的EB极间电压。我们可照葫芦画瓢,在Q1的EC极之间跨接一个新的小功率的“调整管”Q2来动态调节电压(显然,Q2发射极应接电源输入端Ui,集电极接Q1的B极)


为使Q2工作在线性调整状态,B极电压应低于E极电压,且EB压差应接近开启电压(约0.7V)。一方面,要通过回路电流来控制电路输出,因此要采样这个电流,我们不妨使用电流取样电阻;另一方面,这个取样电阻上的电压可用来控制Q2的导通程度,电流越大,电阻上的压降越大,Q2导通程度越高,从而使Q1导通程度减小,U1输入电压及电流减小。由此可知,电流取样电阻RS应与Q2的EB并联:


为保护Q1(不至过流损坏发射结)并使其工作在线性状态,应在其基极串接一个电阻:


Q1、Q2对电路的尖峰、毛刺、波动比较敏感,为了防止出现“误保护”,应在U1的输入输出端接“消振”电容(容值一小一大两个电容):

《·稳压电源模块短路保护设计(二)》三端稳压器(比如7805)输出电压通常要供给多个芯片,当其中一个芯片短路时势必导致稳压器输出短路,从而导致连锁短路,使大面积电路工作失效或损坏。试设计一个稳压器输出短路保护电路。【构思】继承上《·稳压电源模块短路保护设计(一)》的成果:


可以发现,上面的Q1、Q2只是形成了“伪回路”,无法正常工作(二者都截止)。解决这个问题的最简单的办法是:R1与Q2集电极通过一个电阻R2接地:


分析上面的电路:当Uo由于负载原因近乎短路,导致流过RS的电流剧增,RS上的电压增大,Q2导通程度加深,R1与R2的公共点电位上升,Q1导通深度减小,CE分压增大,U1输入电压降低,输出电流减小,于是对7805实现了短路保护功能。但是,上面的电路引入了新的问题,即当Uo没有短路时,Q1仍然要分压,可能使U1输入电压不足,导致Uo低于5V。为了解决这个问题,我们可以将主回路与控制回路分开,通过调整控制回路的电流来实现短路保护,又不影响正常工作时的Uo=5V输出:


上图中的R3与U1形成主回路,Q1、Q2、RS、R1、R2构成短路保护控制回路。至此,稳压电源模块短路保护电路构思完毕,接下来确定元件参数。【计算】假定最大输入电压为12V,主回路电流的保护电流为300mA,那么当Uo对地短路时,R3=12/0.3=40Ω(取标准系列的39Ω)。假定Q2的EB导通电压为0.7V,控制回路最大电流也假定为300mA,那么RS=0.7/0.3=2.3Ω(取标准系列的2.2Ω)。假定Q1的最小放大倍数β=100,那么Q1允许基极电流为300/β=300/100=3mA,R1与R2公共端的最大电压约为12V,所以R1=12/3=4k(取标准系列的3.9k)。由于控制回路可通过U1接地,我们可以去掉多余的R2,这并不会影响电路功能。C1常选择0.1~0.33uF之间的容值,我们取C1=0.33uF,C2容值比C1大,我们取C1的10倍,即C2=10C1=10*0.33=3.3uF。Q1和Q2的选型空间很大,我们不妨选择1A 45V的ZTX550管。确定了所有元件型号及参数的电路:


U1的其他保护措施及电阻的功率核算从略,本文着重讨论短路保护的功能实现。


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