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            電源設(shè)備保護電路的優(yōu)化設(shè)計

            ——
            作者:沙占友 王彥朋 時間:2007-06-27 來源:中國電源網(wǎng) 收藏
            引言

              評價開關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下,為使在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作,必須設(shè)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(yīng)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(tǒng)的無源EMI濾波器相比,有源EMI 濾波器不僅具有優(yōu)良的噪聲衰減特性,而且功能強大,有的還能實現(xiàn)熱插拔,可大大節(jié)省印制板(PCB)的空間,適用于及電子設(shè)備、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

              有源EMI 濾波器的典型產(chǎn)品有美國Vicor 公司生產(chǎn)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(chǎn)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。

            QPI系列EMI濾波器的產(chǎn)品分類

              
                   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(dǎo)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(xù)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(guān)斷時的滯后電壓為2V);過電壓閾值為76V(關(guān)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(shè)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(nèi)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(dāng)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(shè)定欠電壓、過電壓閾值。主要包括以下5部分。

            QPI-8L的內(nèi)部框圖

              
                   (1)熱插拔功能電路;

             ?。?)EMI濾波器;

             ?。?)供欠電壓檢測用的內(nèi)部分壓電阻(R1、R2);

             ?。?)供過電壓檢測用的內(nèi)部分壓電阻(R3、R4);

             ?。?)P溝道MOSFET。

              當(dāng)電源電壓不正常時MOSFET 關(guān)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(nèi)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(biāo)。QPI-8L型有源EMI濾波器與3 種無源EMI 濾波器產(chǎn)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(chǎn)品。顯然,QPI-8L 能在很寬的頻率范圍內(nèi)抑制差模噪聲。

            幾種EMI濾波器對差模噪聲的插入損耗曲線

              
                   1.3 有源電磁干擾濾波器的典型應(yīng)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(zhuǎn)換器之間。DC/DC 電源轉(zhuǎn)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。

            QPI-8L的典型接線

                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(chǎn)品有美國安森美(Onsemi)半導(dǎo)體公司推出的新型過電壓保護集成電路NCP345,MAXIM 公司生產(chǎn)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(shù)量,降低過電壓保護器的成本??蓮V泛用于手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式CD機、汽車備用充電器及便攜醫(yī)療設(shè)備中。下面以NCP345 為例,介紹集成過電壓保護器件的原理與應(yīng)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(tài)電壓。它能在小于1μs的時間內(nèi)迅速關(guān)斷P 溝道MOSFET,確保負載不受損壞。其關(guān)斷速度比低壓CMOS 監(jiān)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(tài)電壓,而關(guān)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(xiàn)故障而損壞電子設(shè)備。其額定過電壓閾值的典型值為6.85V。

              NCP345的內(nèi)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(diào)節(jié)器,帶隙基準(zhǔn)電壓源,欠電壓鎖定電路,具有滯后特性的控制邏輯,MOSFET 驅(qū)動器。只要發(fā)生以下3 種情況之一,OUT端就輸出高電平將MOSFET關(guān)斷。

            NCP345的內(nèi)部框圖

              
                (1)UCC下降到欠電壓鎖定閾值電壓(2.8V)以下;

             ?。?)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(diào)節(jié)過電壓閾值UOV。由于IN 端的輸入電阻RIN為幾十kΩ,因此僅當(dāng)R1、R2<

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