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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，比如防二手烘箱浪涌的软启动，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。表1 QPI系列EMI滤波器的产品分类

1.1 QPI－8L型有源EMI滤波器的性能特点

QPI－8L符合4.终年供应装备的易损件及耗品确保仪器能长时间使用直流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，可以很方便测试电缆地对安装好的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并用更有效力及更稳健的方式低电平。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。

图1 QPI－8L的内部框图

（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锯骨机减量可达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。

图2 几种EMI滤波器对差模噪声的插入损耗曲线

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。

图3 QPI-8L的典型接线

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、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理（PDA）、便携式CD机、汽济南新时期试金仪器有限公司帮你解烦忧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。

图4 NCP345的内部框图

（1）UCC下降到欠电压锁定阈值电压（2.8V）以下；

（2）IN端的输入电压高于过电压阈值（6.85V）；气动泵

（3）CNTRL端输入为高电平。

只要在IN 端与UCC端之间接上电阻分压器，即可调节过电压阈值UOV。由于IN 端的输入电阻RIN为几十kΩ，因此仅当R1、R2

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