详解电源保护技术

设计工程师们都知道，电源除了要能在发生负载和线路变化、系统瞬变，以及噪声等偏差的情况下提供稳定的DC (或AC)电压之外，还必须要保护自己免受临时和永久性故障(内部或外部)的影响，从而避免负载损坏。
 
电源保护涉及很多方面，许多案例会将以下这些方案结合使用：
 
过载(过电流/短路)保护

包括典型的保险丝──熔断体(fusible link)──可在负载路径短路或开始吸收过多电流时对电源提供保护。许多电源由于只能提供一定量的电流而会「自我限制」，因此不需要使用保险丝——但是在某些法规管制情况下会需要。标准的保险丝是透过「熔断」(开路)而停止电流流动，因此需要进行手动更换;这在某些情况下可能造成麻烦，但在别的情况下可能又是优点。此外，还有电子保险丝，这种产品可以自动重设。
 
限流(current limiting)和电流折返(current foldback)

这是过载保护的延伸，如果负载从电源吸收的电流超过设计极限，那么电流折返就会将输出电流和相关的电压降低到低于正常工作极限的值。在极端情况下，如果负载发生短路，那么电流就会被限制在最大值的一小部分，而输出电压显然就会变为零。
 
欠压锁定(Undervoltage lockout，UVLO)

UVLO保护在发现其输入端电压太低时，可确保让DC/DC转换器不尝试运作(图1)。这可能会是一个问题：首先如果电源输出的直流电压太低，那么它就有可能不确定，这就可能导致系统问题。其次，即使电压很低，它也可以防止 「吸血鬼」从电源耗电——这有可能耗尽系统正在尝试充电的电池。UVLO还有助于上电时序(power-on sequencing)的正常运作(如果有的化)。第三，如果DC/DC转换器的输入电压过低而无法正常运作，其本身就可能受到损坏。

图1：随着电源从关闭转向完全开启，然后再回到关闭状态，电源会经历不同的模式;在此期间，如果电源的输入电压低于正常运作所需的最小值，那么UVLO可以确保电源不尝试开启而提供输出。(图片来源：TI)
 
过压保护(overvoltage protection，OVP)

OVP会在电源内部故障导致其输出电压上升到超过规定的最大值时启动，从而保护负载免受损坏。当电压超过某个默认水平时，OVP就会关闭电源或者对输出进行钳位(clamps)。OVP电路通常被称为「撬棍」(crowbar)电路，大概是因为其作用与在电源输出两端放置一根金属撬棍相同，而撬棍电路的设计最好是与电源本身无关。一种典型的撬棍电路是仅在电源关闭(跳电)时才会重设。另一种类型则是，一旦清除了输出电压故障，它就会自动重设。后一种类型在引起撬棍跳开的情况很短暂时才有用，而非电源出现严重故障时。尽管现在大多数电源都内建撬棍，但许多供货商都提供了一个小型的独立撬棍电路，而可以在需要时将其添加到现有电源中。
 
热过载保护(Thermal overload)

如果电源的冷却方式设计不当或无法作用(例如风扇停止、气流阻塞)，就会发生热过载情况。这时，电源就有可能超过其额定温度值，从而严重缩短其寿命，甚至可能导致故障立即发生。解决方案很简单：在电源内部或电源附近设置一个温度感测电路。如果电源超过了预设极限，那么就使电源进入静态或停机模式。如果温度下降，有部分温度保险丝(thermal cutoffs)会自动使电源恢复运作，其他则不能。
 
反向连接保护(Reverse-connection)

如果负载被反向连接──正电源输出接到负电源轨(negative load rail)，反之亦然──则反接保护就会阻止电流流动并使电压归零。在电池被断开然后又重新连接的应用中，例如在汽车或者电池或其连接器未被锁定的应用中，这种保护特别流行。其他实用的电源保护组件包括金属氧化物变阻器(metal oxide varistor，MOV)、正温度系数(PTC)热敏电阻、瞬态电压抑制(TVS)二极管、气体放电管(gas discharge tube，GDT)，以及聚合物PTC自恢复保险丝。
 
要保护什么、防止什么，以及如何进行，这一系列问题并不像看起来那么简单。我们需要为电源添加哪些类型的保护?与往常一样，答案是「取决于」电源本身、负载，以及系统。IC (包括转换器和稳压器)到更大的模块，甚至机箱/开架(chassis/open-frame)设备，虽然许多电源，以及相关功能都会包含以上的几种，但你可能会需要添加其他的。