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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。可廣泛用于手機、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。 |
