電源過流保護(hù)的核心機(jī)制解析

電源過流 作為工程師，我們經(jīng)常研究“假設(shè)”場景，以確保我們的設(shè)計(jì)在盡可能多的應(yīng)用條件下發(fā)揮作用。對(duì)于我們的設(shè)計(jì)無法正常發(fā)揮作用的情況，我們至少希望我們的產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生損壞，或者我們的設(shè)計(jì)不會(huì)損壞其他組件。使用電源時(shí)，常見的一個(gè)問題是“如果電源的輸出負(fù)載電流超過電源的電流額定值會(huì)怎么樣”。在本文中，我們將討論超出額定負(fù)載時(shí)電源設(shè)計(jì)中采用的常見應(yīng)對(duì)方法。

理想的電源

盡管我們最常稱之為“電源”（本義為“功率源”），但它一般是指“電壓源”。這兩種設(shè)計(jì)之間的區(qū)別是：無論負(fù)載電壓或負(fù)載電流是多少，理想的“電源”都能為負(fù)載提供恒定功率（圖1）。無論負(fù)載電流是多少，理想的電壓源都能為負(fù)載提供恒定電壓（圖2）。我們無法設(shè)計(jì)、構(gòu)建或購買理想的電壓源，因?yàn)槔硐氲碾妷涸匆軌蛳蜇?fù)載提供無限的電流（和功率）。盡管我們提到我們討論的是電壓源而不是功率源，但我們將繼續(xù)在討論中普遍使用（誤用的）“電源”一詞。

圖1：恒定功率

圖2：恒定電壓

電源電流限制

如上所述，所有電源都將具有某種形式的電流限制，但大多都是可控且無害的。這篇文章討論的重點(diǎn)是限制電源的輸出電流，以在負(fù)載需要過多電流時(shí)保護(hù)電源以免損壞電源的情況。輸入電流限制常常通過將一根保險(xiǎn)絲與一兩個(gè)輸入導(dǎo)體串聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)。這種電流限制措施用于保護(hù)上游電源和導(dǎo)體，并且假設(shè)在吸收的輸入電流大到足以熔斷輸入保險(xiǎn)絲時(shí)，帶有輸入保險(xiǎn)絲的電源已經(jīng)損壞。一些應(yīng)用（例如，充電電池）需要配備嚴(yán)格受控的電流限制措施來確保穩(wěn)定運(yùn)行。如果需要嚴(yán)格受控的電流限制措施，則需要與電源供應(yīng)商商議，大多數(shù)電源采用寬松的電流限制措施，僅用于保護(hù)電源免受損壞。限制電源輸出電流的一些常見方法包括保險(xiǎn)絲電流限制、恒定電流限制、折返電流限制和斷續(xù)電流限制。

保險(xiǎn)絲電流限制

也許最簡單的電源輸出電流限制形式就是將保險(xiǎn)絲與電源的輸出端子串聯(lián)放置（圖3）。此方法對(duì)于電源有效但通常不會(huì)被采用，因?yàn)樗鄬?duì)容易吸收過多負(fù)載電流（即導(dǎo)致輸出端子或電源插頭短路）且會(huì)意外熔斷保險(xiǎn)絲。此外，電源中的輸出電流限制功能保護(hù)內(nèi)部半導(dǎo)體部件，使其在負(fù)載電流過大時(shí)免于損壞。可能很難選擇一種既能足夠快速地熔斷來保護(hù)內(nèi)部半導(dǎo)體，又能在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或負(fù)載電容器充電時(shí)不會(huì)熔斷的保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲擅長保護(hù)導(dǎo)體，卻不太擅長保護(hù)半導(dǎo)體。

圖3：電源輸出端的保險(xiǎn)絲

恒定電流限制

為限制電源輸出電流而實(shí)現(xiàn)的一種常用方法是監(jiān)控輸出電流，在達(dá)到電流限制時(shí)降低輸出電壓，同時(shí)保持最大輸出電流（圖4）。在這種實(shí)現(xiàn)方式中，電流限制期間的輸出電壓取決于在電流限制運(yùn)行期間負(fù)載產(chǎn)生的阻抗。這種電流限制方法相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)電源在電流限制運(yùn)行期間以最大電流運(yùn)行時(shí)，就會(huì)對(duì)輸出電流通路中的組件施加應(yīng)力。在負(fù)載吸收短時(shí)驟增的過量電流時(shí)，例如在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或旁路電容器充電期間，這種類型的電流限制措施會(huì)是最佳選擇。沒有意識(shí)到電源處于電流限制模式的用戶可能會(huì)認(rèn)為電源工作不正常，因?yàn)殡娫丛陔娏飨拗颇Ｊ较逻\(yùn)行時(shí)，輸出電壓低于數(shù)據(jù)表規(guī)定的水平。

圖4：恒定電流限制

折返電流限制

為了解決上述在恒定電流限制期間出現(xiàn)的組件應(yīng)力問題，一些電源設(shè)計(jì)采用了折返電流限制。這種實(shí)現(xiàn)方式可能會(huì)讓用戶感到疑惑。在帶有折返電流限制的電源中，檢測(cè)到最大輸出電流后，輸出電壓和輸出電流都會(huì)降低（圖5）。帶有折返電流限制的電源沒有典型表現(xiàn)，因此用戶需要閱讀數(shù)據(jù)表才能了解其選擇的電源將會(huì)有何表現(xiàn)。如果負(fù)載是正在啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)或正在充電的大量輸入旁路解耦電容器，這種電源輸出電流限制方法就可能引發(fā)問題。如果電源處于電流限制模式，而用戶卻在努力弄清電源未產(chǎn)生適當(dāng)輸出電壓或電流的原因，此時(shí)折返行為就可能讓用戶產(chǎn)生疑惑。

圖5：折返電流限制

斷續(xù)模式電流限制

目前在電源中用作電流限制的最常見實(shí)現(xiàn)方式可能就是所謂的斷續(xù)模式。這種過流保護(hù)模式可以視為本篇討論的前文中提到的保險(xiǎn)絲保護(hù)的有源版本。配備斷續(xù)模式電流限制保護(hù)之后，如果檢測(cè)到過流情況，就會(huì)關(guān)閉電源的輸出電壓。經(jīng)過指定的等待時(shí)間之后，就會(huì)重新構(gòu)建電源的輸出電壓。如果過流情況仍然存在，則電源會(huì)重復(fù)關(guān)閉和等待過程。如果過流情況不復(fù)存在，電源就會(huì)繼續(xù)以正常模式運(yùn)行（圖6）。

圖6：斷續(xù)模式過流限制斷續(xù)模式的過流保護(hù)很容易在穩(wěn)壓器控制器芯片中實(shí)現(xiàn)，并能最大程度減少電源輸出功率通路中各組件受到的過大電流應(yīng)力。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)載以及一些具有大型輸入濾波電容器組的情況都可能遇到斷續(xù)模式過流保護(hù)問題。對(duì)于具有電動(dòng)機(jī)負(fù)載的應(yīng)用，如果電動(dòng)機(jī)在電源開啟期間未正常啟動(dòng)，則電動(dòng)機(jī)將在電源輸出電壓的關(guān)閉期間減速，并且在下一個(gè)斷續(xù)循環(huán)繼續(xù)不啟動(dòng)。在這種情況下，由于電源輸出電壓的關(guān)閉時(shí)間，電動(dòng)機(jī)一直不會(huì)啟動(dòng)（圖7）。

圖7：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗如果負(fù)載是數(shù)值較大的輸入濾波器電容，同時(shí)還存在負(fù)載電流，就可能出現(xiàn)類似問題。如果首先將電源輸出電壓施加到已經(jīng)放電的電容器，電容器就會(huì)吸收足夠大的電流，能夠讓電源進(jìn)入過流運(yùn)行狀態(tài)。電源關(guān)閉期間，如果除了電容器之外還存在負(fù)載電流，則負(fù)載電流就能讓電容器在電源關(guān)閉期間充分放電，使得電容器永遠(yuǎn)無法充電到電源輸出電壓（圖8）。