电源设备保护电路的优化设计

引言

评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。

1 有源电磁干扰滤波器的原理与应用

有源电磁干扰滤波器简称有源EMI 滤波器，它是把有源器件集成在微封装的芯片中，专门用来抑制电磁干扰的滤波器。与传统的无源EMI滤波器相比，有源EMI 滤波器不仅具有优良的噪声衰减特性，而且功能强大，有的还能实现热插拔，可大大节省印制板（PCB）的空间，适用于电源及电子设备、医疗仪器等领域。

有源EMI 滤波器的典型产品有美国Vicor 公司生产的QPI（Quiet Power Input）系列，主要包括QPI－3L～QPI－6L，QPI－8L。QPI系列EMI 滤波器的产品分类见表1。其中，QPI－8L 属于带热插拔（Hot-swap）功能的有源EMI滤波器。

1.1 QPI－8L型有源EMI滤波器的性能特点

QPI－8L符合直流48V或60V总线的要求，能对150 kHz～30MHz 的传导噪声（共模噪声及差模噪声）进行衰减，在250 kHz 时的共模噪声衰减能力大于40dB，差模噪声衰减能力大于70 dB。它能在80V直流电压下连续工作，并能承受100V直流浪涌电压，其对地绝缘电压为1500V，最大工作电流为6A，最大负载为200W。与无源EMI滤波器相比，共模噪声衰减能力可提高20dB，差模噪声衰减能力可提高10～30dB。具有浪涌电流限制及断路、可编程欠电压/过电压保护、电源电压正常指示等功能。默认的欠电压阈值为34V（关断时的滞后电压为2V）；过电压阈值为76V（关断时的滞后电压为4V）；利用外部分压电阻还可改变欠电压及过电压的阈值。使用方便，具有热插拔功能，允许带电插入或拔下有源EMI 滤波器。满载时的效率高于99%，特别适合滤除DC/DC 电源变换器的电磁干扰。利用厂家提供的QPI－EVAL1软件，可以很方便地对安装好的QPI－8L及终端设备进行测试。

1.2 QPI－8L型有源EMI 滤波器的工作原理

QPI－8L 的内部框图如图1 所示。BUS＋、BUS－端分别接总线的正极、负极。SW端接受控于热插拔功能的满幅值负压。SHIELD为屏蔽端，与负载的屏蔽端、Y 电容的公共端接在一起。QPI＋、QPI－分别接负载的正、负输入端。PWRGD（Power good）为电源电压正常指示的输出端（集电极开路输出），当电源电压不正常时该端输出低电平。UVEN端、OV端各接1个电阻分压器，分别设定欠电压、过电压阈值。主要包括以下5部分。

（1）热插拔功能电路；

（2）EMI滤波器；

（3）供欠电压检测用的内部分压电阻（R1、R2）；

（4）供过电压检测用的内部分压电阻（R3、R4）；

（5）P沟道MOSFET。

当电源电压不正常时MOSFET 关断，可将负载断开，起到保护作用。

QPI－8L在0.01～30 MHz频率范围内对共模噪声的最大衰减量约为70 dB，对差模噪声的最大衰减量可达82 dB。这是无源EMI 滤波器难以达到的指标。QPI－8L型有源EMI滤波器与3 种无源EMI 滤波器产品对差模噪声的插入损耗曲线图如图2 所示。图2中，曲线a 代表QPI－8L，曲线b、c、d 分别代表3 种无源EMI 滤波器典型产品。显然，QPI－8L 能在很宽的频率范围内抑制差模噪声。

1.3 有源电磁干扰滤波器的典型应用

QPI－8L的典型接线图如图3 所示，将它插在总线电源与DC/DC电源转换器之间。DC/DC 电源转换器直接安装在印制板上并加屏蔽罩。C2～C6为旁路电容，容量可选0.047μF。

2 集成过电压保护器件

近年来，随着亚微米制造工艺的进步，许多新型集成电路的工作电压愈来愈低，芯片承受过电压的能力也随之下降，这就使得保护电路的作用更加重要。过电压保护简称OVP（Over Voltage Protection）。集成过电压保护器件的典型产品有美国安森美（Onsemi）半导体公司推出的新型过电压保护集成电路NCP345，MAXIM 公司生产的MAX4843 系列（ 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 种型号）。这类新器件的集成度高，体积小，能大大减少外部元器件的数量，降低过电压保护器的成本。可广泛用于手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理（PDA）、便携式CD机、汽车备用充电器及便携医疗设备中。下面以NCP345 为例，介绍集成过电压保护器件的原理与应用。

2.1 NCP345型集成过电压保护器的原理

NCP345 采用先进的Bi-CMOS 制造工艺，可承受30V的瞬态电压。它能在小于1μs的时间内迅速关断P 沟道MOSFET，确保负载不受损坏。其关断速度比低压CMOS 监测电路要快得多，后者在同样负载情况下只能承受12V的瞬态电压，而关断时间长达200μs。适合接在AC/DC电源适配器（或电池充电器）与负载之间，电池充电器可以是锂离子（Li-Ion）电池充电器、镍氢(NiMH）电池充电器。它具有过电压断电和欠电压锁定功能，能检测出过电压状况并迅速切断输入电源，避免因过电压或电源适配器出现故障而损坏电子设备。其额定过电压阈值的典型值为6.85V。

NCP345的内部框图如图4 所示。主要包括输入级电阻分压器（R1、R2），电压调节器，带隙基准电压源，欠电压锁定电路，具有滞后特性的控制逻辑，MOSFET 驱动器。只要发生以下3 种情况之一，OUT端就输出高电平将MOSFET关断。