引言
評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術指標滿足正常使用要求的條件下,為使電源在惡劣環境及突發故障情況下安全可靠地工作,必須設計多種保護電路,比如防浪涌的軟啟動,防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。
1 有源電磁干擾濾波器的原理與應用
有源電磁干擾濾波器簡稱有源EMI 濾波器,它是把有源器件集成在微封裝的芯片中,專門用來抑制電磁干擾的濾波器。與傳統的無源EMI濾波器相比,有源EMI 濾波器不僅具有優良的噪聲衰減特性,而且功能強大,有的還能實現熱插拔,可大大節省印制板(PCB)的空間,適用于電源及電子設備、醫療儀器等領域。
有源EMI 濾波器的典型產品有美國Vicor 公司生產的QPI(Quiet Power Input)系列,主要包括QPI-3L~QPI-6L,QPI-8L。QPI系列EMI 濾波器的產品分類見表1。其中,QPI-8L 屬于帶熱插拔(Hot-swap)功能的有源EMI濾波器。
1.1 QPI-8L型有源EMI濾波器的性能特點
QPI-8L符合直流48V或60V總線的要求,能對150 kHz~30MHz 的傳導噪聲(共模噪聲及差模噪聲)進行衰減,在250 kHz 時的共模噪聲衰減能力大于40dB,差模噪聲衰減能力大于70 dB。它能在80V直流電壓下連續工作,并能承受100V直流浪涌電壓,其對地絕緣電壓為1500V,最大工作電流為6A,最大負載為200W。與無源EMI濾波器相比,共模噪聲衰減能力可提高20dB,差模噪聲衰減能力可提高10~30dB。具有浪涌電流限制及斷路、可編程欠電壓/過電壓保護、電源電壓正常指示等功能。默認的欠電壓閾值為34V(關斷時的滯后電壓為2V);過電壓閾值為76V(關斷時的滯后電壓為4V);利用外部分壓電阻還可改變欠電壓及過電壓的閾值。使用方便,具有熱插拔功能,允許帶電插入或拔下有源EMI 濾波器。滿載時的效率高于99%,特別適合濾除DC/DC 電源變換器的電磁干擾。利用廠家提供的QPI-EVAL1軟件,可以很方便地對安裝好的QPI-8L及終端設備進行測試。
1.2 QPI-8L型有源EMI 濾波器的工作原理
QPI-8L 的內部框圖如圖1 所示。BUS+、BUS-端分別接總線的正極、負極。SW端接受控于熱插拔功能的滿幅值負壓。SHIELD為屏蔽端,與負載的屏蔽端、Y 電容的公共端接在一起。QPI+、QPI-分別接負載的正、負輸入端。PWRGD(Power good)為電源電壓正常指示的輸出端(集電極開路輸出),當電源電壓不正常時該端輸出低電平。UVEN端、OV端各接1個電阻分壓器,分別設定欠電壓、過電壓閾值。主要包括以下5部分。
(1)熱插拔功能電路;
(2)EMI濾波器;
(3)供欠電壓檢測用的內部分壓電阻(R1、R2);
(4)供過電壓檢測用的內部分壓電阻(R3、R4);
(5)P溝道MOSFET。
當電源電壓不正常時MOSFET 關斷,可將負載斷開,起到保護作用。
QPI-8L在0.01~30 MHz頻率范圍內對共模噪聲的最大衰減量約為70 dB,對差模噪聲的最大衰減量可達82 dB。這是無源EMI 濾波器難以達到的指標。QPI-8L型有源EMI濾波器與3 種無源EMI 濾波器產品對差模噪聲的插入損耗曲線圖如圖2 所示。圖2中,曲線a 代表QPI-8L,曲線b、c、d 分別代表3 種無源EMI 濾波器典型產品。顯然,QPI-8L 能在很寬的頻率范圍內抑制差模噪聲。
1.3 有源電磁干擾濾波器的典型應用
QPI-8L的典型接線圖如圖3 所示,將它插在總線電源與DC/DC電源轉換器之間。DC/DC 電源轉換器直接安裝在印制板上并加屏蔽罩。C2~C6為旁路電容,容量可選0.047μF。
2 集成過電壓保護器件
近年來,隨著亞微米制造工藝的進步,許多新型集成電路的工作電壓愈來愈低,芯片承受過電壓的能力也隨之下降,這就使得保護電路的作用更加重要。過電壓保護簡稱OVP(Over Voltage Protection)。集成過電壓保護器件的典型產品有美國安森美(Onsemi)半導體公司推出的新型過電壓保護集成電路NCP345,MAXIM 公司生產的MAX4843 系列( 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 種型號)。這類新器件的集成度高,體積小,能大大減少外部元器件的數量,降低過電壓保護器的成本??蓮V泛用于手機、數碼相機、筆記本電腦、個人數字助理(PDA)、便攜式CD機、汽車備用充電器及便攜醫療設備中。下面以NCP345 為例,介紹集成過電壓保護器件的原理與應用。
2.1 NCP345型集成過電壓保護器的原理
NCP345 采用先進的Bi-CMOS 制造工藝,可承受30V的瞬態電壓。它能在小于1μs的時間內迅速關斷P 溝道MOSFET,確保負載不受損壞。其關斷速度比低壓CMOS 監測電路要快得多,后者在同樣負載情況下只能承受12V的瞬態電壓,而關斷時間長達200μs。適合接在AC/DC電源適配器(或電池充電器)與負載之間,電池充電器可以是鋰離子(Li-Ion)電池充電器、鎳氫(NiMH)電池充電器。它具有過電壓斷電和欠電壓鎖定功能,能檢測出過電壓狀況并迅速切斷輸入電源,避免因過電壓或電源適配器出現故障而損壞電子設備。其額定過電壓閾值的典型值為6.85V。
NCP345的內部框圖如圖4 所示。主要包括輸入級電阻分壓器(R1、R2),電壓調節器,帶隙基準電壓源,欠電壓鎖定電路,具有滯后特性的控制邏輯,MOSFET 驅動器。只要發生以下3 種情況之一,OUT端就輸出高電平將MOSFET關斷。
(1)UCC下降到欠電壓鎖定閾值電壓(2.8V)以下;
(2)IN端的輸入電壓高于過電壓閾值(6.85V);
(3)CNTRL端輸入為高電平。
只要在IN 端與UCC端之間接上電阻分壓器,即可調節過電壓閾值UOV。
2.2 NCP345 型集成過電壓保護器的典型應用
目前,許多便攜式電子產品都配有AC/DC 電源適配器,將交流電壓轉換成直流電壓,給內部電池進行充電。一旦電源適配器中產生自激振蕩等故障而出現過電壓現象,就會損壞敏感的電子元器件。此外,倘若用戶在充電過程中突然拔掉電池,也會產生幅值較高的瞬態電壓,可能使產品毀壞。針對上述問題,可利用NCP345和MOSFET(P通道)構成過電壓保護器,電路圖如圖5 所示。P通道MOSFET起到開關作用,選內部帶保護二極管的MGSF3441 型MOSFET作為開關器件。其主要參數如下:漏- 源電壓UDS=20 V,柵-源電壓UGS=8.0V,漏極電流ID=1A,最大漏極電流IDM=20 A,最大功耗PDM=950 mW,通態電阻RDS(ON)=78 mΩ。二極管D 采用低壓降的MBRM120(1A/20 V)型肖特基二極管,當IF=1 A、TA=25℃時的導通壓降僅為0.34V,它與MOSFET 串聯成一體,能防止電池短路。利用NCP345 可監視輸入電壓,僅在安全條件下才能開啟MOSFET。穩壓二極管DZ1、DZ2分別并聯在輸入端和負載端,起到過電壓二次保護作用。
3 集成過電流保護器件
USB 是通用串行總線(Universal Serial Bus)的英文縮寫。它是針對PC機外設的一種新型接口技術,具有傳輸速率快(USB 2.0 的傳輸速
率為480Mbps)、即插即用、熱插拔、低成本等特性。USB的電源和信號是通過四芯電纜來傳輸的。USB 2.0規范的電源指標如表2 所列。由于在USB 設備熱插拔時會產生瞬間尖峰電流和浪涌電流,因此需要對USB接口、USB 集線器及計算機外設進行限流保護。
AAT4610A是美國先進模擬科技公司(AATI)于2005 年新推出的一種過電流保護電路,適配帶USB 接口的各種計算機外設及便攜式系統。其同類產品還有美國Vishay 公司生產的SiP4610A。AAT4610A 的內部電路主要包括欠電壓閉鎖電路、過熱保護電路、比較放大器、P溝道MOSFET(帶續流二極管)、1.2V基準電壓源和限流保護電路。當欠壓鎖定閾值電壓為1.8 V時,將P 溝道MOSFET關斷;當電壓恢復正常時自動使P 溝道MOSFET導通。
AAT4610A 的應用非常簡單,只需串聯在需要限流保護的電路中即可,電路圖如圖6 所示。需要控制的電流從IN端流入,從OUT端流出。C1、C2分別為輸入端、輸出端的濾波電容,宜采用陶瓷電容。RSET為極限電流設定電阻,其電阻值取決于所需極限電流ILIMIT,設定范圍是130 mA~1A。在決定RSET的阻值時,必須考慮ILIMIT的變化。造成ILIMIT變化的原因有以下3種因素。
(1)從輸入端到輸出端的電壓變化,這是由于P溝道功率MOSFET的壓降而造成的;
(2)極限電流隨溫度而變化;
(3)極限電流還受輸出電流的影響。
4 結語
本文主要介紹了3種新型保護器件的原理與應用,包括有源電磁干擾(EMI)濾波器、集成過電壓保護器件、集成過電流保護器件。
開關電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能,但在惡劣環境及意外事故條件下,保護電路是否完善并按預定設置工作,對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。驗收產品的技術指標時,還應對保護功能進行驗證。
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