开关电源的各种保护

开关电源输出过压保护电路有有通过控制自身电源来调节的，也有防止外部电压过高带来的电源损伤，自身调节一般是指，过压电路是在反馈环路出现问题的时候，控制输出电压不至于太高，或者是关闭开关电源控制，来避免输出电解电容与后级的用电设备损坏。那我们就要知道当过压了，是限制电压不要超过一个电压还是要求关闭电源。只有知道了要求后，那么就根据要求来设计电路。

图1是输出保护电路的一种，这种电路应用非常多，他是用TL431与光耦的搭配，靠光耦的导通来控制原边的控制芯片停机，实现过于保护，的他的好处是过压保护电压精度高，一般应用到后级需要严格控制电源的电源。他的成本是比较高的。

图2也是一种输出保护电路，这种电路就是在上一个电路的基础上进行了变动，原理是本来利用TL431来检测输出电压的电路改成了一个稳压管，稳压管的精度是没有TL431高的，但是价格比TL431便宜，这也就是他的优势，缺点是他的精度不高，对于这种电路一般应用在没有要求具体多少电压过压的电源，就是在出现过压的时候起到一个保护电解电容的作用，不至于电解电容坏。

上面的两种方法，我们一直看到有一个光耦的存在，这是应为我们的电源是隔离的原因，但是光耦的价格也是不便宜的。

如果不需要过压精度很高，那么我们是不是可以想办法吧光耦去除，而且是能检测输出电压的办法，是不是最好了，

那有什么好的办法了，隔离不用光耦，我们是不是就想到用互感器等磁芯器件，但是这又违背了价格便宜的问题，最好是在不增加其他器件的基础上就能实现过压保护功能。

隔离电源我们都会有一个隔离变压器，这是每一个开关电源都有的，那么我们是不是可以利用这一个开关变压器来实现，我们知道电源是有VCC绕组，我们能不能用VCC绕组来实现过压保护了，肯定是可以的，只是精度与一致性不好，但是价格便宜，如果在你的接受范围内的话，是不是很好。那么就有了下面的电路图，下面Latch脚是芯片检测过压的脚。

上面的三种电路都是对于电源自身反馈环路有问题的时才有作用，那要是输出电压被外电压强制提高怎么办了,很多的时候就想到了，看下面的图，是不是增加了一个TVS，这一个TVS只能够钳位过压非常断的时间，要是长时间的，可能会坏，但是他的价格便宜。   

为了防止过压时间长，我可以通过下面的电路来防止电源被外电压过压损坏，这一个电路的作用就把输出电压与外界电压用二极管隔离开，我们可以给外部供电，但是外部电进不来，但是带来其他的问题，二极管上面是有正向压降的，通过一定电路后会有损耗，通常VF与电流温度有关，那么输出电压精度不高。为了解决和一个问题，很多时候用MOS管替代，用MOS替代就带来了一堆的驱动电路，这样增加了电路的复杂性也增加了成本。如果于与输出电流不大，要求精度不高的可以就用二极管。

开关电源调试的这些步骤，你有没有漏的？

开关电源调试一般分为下面的四个主要的步骤：

一、先检查，

二、再上电调试

三、测试每个功能

四、测试整体性能

1、 检查，我们都知道拿到一个装好器件的PCB板时候，我们先要目检下

首先是检测个器件是不是装错了，

二极管、电解电容、MOS管、电感等有没有装反，光耦、芯片有没有错，脚位是不是对，

2、  目测下PCB上面的插件器件有没有挤在一起，是不是需要加强绝缘，然后查看实物与丝印有没有不符的等现象，贴片器件有没有实物与封装不一致，位号的丝印是不是也会出现看不清楚，字体大小不符合要求等，有没有被遮挡，对于二极管、电解电容的正负极是否能清楚的识别。

3、  检测输入输出的端子或线材有没有装反，特别是线材是不是要求的规格与长度，颜色是不是与客户要求的一样，

4、  检测PCB上没有装的元器件，记录下来后再与原理图对比一下，看是不需要装的器件还是需要装的，如果是需要装的，那就要检测下为什么没有装上，是制作的过程中漏了，还是BOM漏了，要是制作过程中出的错要去查下为什么会这样，避免下次再出现这样的想象，如果是BOM里面漏了的需要补上去，检查完这些后，再查看底层的器件有没有虚焊，搭焊、假焊等现象。

这一个过程一定要认真检测，有些产品虚焊很难查出来，导致上的就炸机，这是不能原谅的低级错误。

5、  万用表检测下输入端口是不是短路，输出端口有没有短路，如果有短路需要排查清楚，然后再用万用表测试下MOS管的DS是不是正常。二极管的正负都用万用表测试下是不是正常。

6、  用电桥测试电感的感量是不是对的，再就检测下变压器的感量，同名端，各绕组之间的匝比对不对当检查完成后，我们就需要上电了。这里说明下，变压器都先不组装在PCB板上，等调试好了一个电源再组装完成其他的变压器，避免在调试的过程中出现要调整变压匝数的时候，需要拆变压器

7、  上电前我们需要清理好调试的桌面，把桌面的杂物与焊渣都要清理干净，我的习惯是PCB下面垫一个黄胶带。如下图所示，这一个黄胶带是绕变压器用的的绝缘胶带，一电般电源工程师都会有，垫在电源下面的原因是在调试的过程中，难免会有焊渣掉到调试台上，出现机器短路现象，特别是贴片层放在下面的时候能更好的避免桌上的焊渣短路。

8、  准备工作做好后，我们就开始上电了，上电前我们需要理清楚先调试哪部分，如果只是一个简单的反激电源，我们可以先调试出芯片周围是不是正常的，我们可以先把驱动电阻拆除。如图上R8，然后把MOS管的GS短接起来。再上输入的电压，电压由最开始的10V开始慢慢的上，如果是输入数字的source可以每次10V的上电，当上到了50V后，可以每50V一次的加，上电的时候看功率仪上面的输入电流是不是正常，每加一档电压停留下，看功率仪上面的电流是不是很小，一般都是mA级别，如果出现了几A的电流肯定是不正常的，需要马上关机检测下哪个元器件温度高，如果有热成像仪是最好的，没有就只能用手去摸，那个元器件最烫手，最烫手的肯定是有问题的。如果上电稳定电流很小说明是正常的，这样我们就可以先看是不是有驱动波形打出来，如果有的话，可以关电，在给一个VCC电压给芯片，然后再上电。这里需要注意，我们用直流源给VCC提供电压的时候，在直流源与VCC之间用一个二极管隔离，避免VCC启动时电压高灌到直流源里面，开机的顺序是先上输入的大电，然后再给VCC的直流电，这样我们就可以检测下其他脚的波形是不是与我们的设计是一样的，如果不一样查看下原因。检测好了芯片功能正常后就可以把驱动电阻还原正常上电了。

9、  当上电输出正常了，我就要查看一些保护功能是不是正常了，比如驱动波形的弥勒效应是否正常，过流电阻上的电压是不否与设计的一样，然后过温度，过压、欠压、实际测试与设计的不符的需要调整，并查明原因，调试到保护功能都正常。

10、 常温下老化测试下温升，这个时候尽量用热成像仪去测试，前面30分钟每5分钟查看下温度，记录下来这个温度的上升趋势，不能太快，如果一切正常，30分钟后每20分钟查看下，这一个过程是3-4个小时，整机的温度就会稳定下来，温度高的需要整改的就整改，改好后就需要测试整机性能。

11、 性能测试，基本的电器性能测试，一般测试输出的纹波，负载调整率，输入调整率，动态负载等，测试完成后就是应力

12、 应力的测试需要测试各种条件下的状况，并记录波形，不能有过应力设计，这种测试对于工程师来说是非常的枯燥无味，时间也非常的长，一般一个功率器件就需要一天的时候，这一步有很多的工程师是草草了事，一般是1天就完成了，其实这是对自己的产品不负责任。应力测试完成后，就是组装其他机器，测试电性能是否一致性。

13、 所以机器都调试完成后就是EMC与EMS的进行，这又是一个非常耗时间的过程，不知道其他工程师怎么样，反正我感觉是这样的，在调试这一个过程的时候可以去高温里面测试功率器件的温升。当上面的事情做完后，对于工程师来说完成了一段落，后面就是送测试部门测试。

过流保护的讲解

过流保护对电源来说是一种标配了，可以说所以的电源都会有过流保护功能，过流保护可以分为关断保护与限流保护两种。

关断保护是，当过载后，电路检测到电源过流了，电源芯片停止PWM，过流故障解除后也不会重新恢复正常。

限流型由于其具有电流下垂特性，故障解除后开关电源能自动恢复工作，因此现在应用比较广泛。现在很多芯片有两个检测点，第一检测点检测电流过流后关断当前PWM，当过流恢解除后，PWM恢复正常，当到第二检测点触发后，芯片PWM停止并锁死，必须AC断电才能重启。

限流型电源检测来说，大多时候我们是在MOSFET下串联一个功率电阻，然后用RC滤波后给芯片过流检测点。图1中的R2就是限流电阻，R5与C4组成RC滤波器

R2的电阻在选择的时候需要注意几个事项

1、限流电阻R2的阻值

2、限流电阻的功率选择

3、限流电阻的材质

限流电阻的阻值选择，要根据原边最大峰值电流Ipk与CS脚检测的过流电压来

一般电阻上的最大电压取CS过流保护点电压的

70%，然后根据设定的电压与电流计算出来阻值

我们知道阻值后，根据原边有效值电流可以计算出实际每个周期的功率，根据实际功耗去选取电阻所需要的功率，选取的功率是实际功率的3-4倍

限流电阻选阻值与功率选取好后，就需要选取材质了，限流电阻可以用插件也可以用贴片，用插件电阻时候需要注意不能用有感电阻，这是特别需要注意的地方

这颗电阻选取一个要求精度1%，并且是无感电阻。

如果用了有感电阻会出现什么情况我们来分析下

首先当驱动为高电平的时候，假设G对地有一个12v的电压，当MOS管开通的时候，因为di/dt比较大，有感电阻的电感可能出现上正下负的电压，这个时候GS点电压就小于12V，

当驱动为低电平的时候，G对地是0V电压，MOS管关断，这时候寄生电感出现了上负下正的电压，因为MOS管关断，没有电流流过，那限流电阻的电压是0V，那么S极就出现了一个负压，而G极是0V，那GS间的电压与寄生电感上的电压幅值一样，如果寄生电感大的话，有可能出现二次开通现象。所以选取电阻时需要选取无感电阻。

限流电阻连接一个RC到芯片，这一个RC的作用是用来滤波作用的，现在很多的芯片都会有一个前沿消隐功能，但是前沿消隐的时间不一定足够所以还是有加了RC，我们可以看下面的图，限流电阻上的电压波形有一个很大的震荡，有时候这个震荡的尖峰会超过我们的限流电压，但是这是寄生参数引起的，一般很难控制，加RC滤波后，到B点的波形就没有了这一个震荡，被RC滤除了。RC的是根据截止频率来设计得，一般是开关频率的10-30倍，如果是60kHz的开关频率时，我们会选择1k电阻与100pF电容，大概的截止频率1591kHz。

前沿消隐是芯片的功能

这一个功能就是芯片在发出驱动波形MOS管开通后，一段时间不去检测是否过流，这个时间大概是200-300nS，不同的芯片有所不同。 

随功率的增大，原边的MOS管的电流也会变大，那么我们的限流电阻上的损耗就会增加，当达到一定值后，限流电阻需要选取非常小的电阻值，可能这一电阻值小到PCB上的走线的寄生电阻都会在这一阻值上占一定比例，这时电阻就不好去选取了。这个时候就不再选用限流电阻，而改用的互感器来做限流，互感器本身就是一个磁性器件，通常是1:100的比例，它是有电感量的， 我们前面分析过MOS管串联电阻的时候，电阻不能用有感的，现在互感器本身就是一个电感，那么我们就需要改变接法了，如下图所示。

互感器应用的时候就需要注意了，他的应用是不能与MOS管S极连接，一般都是连接到D极，原因与接了有感电阻是一样的道理。

VCC启动电路

电源管理芯片都会有一个VCC来提供芯片所需的电压，但是在启动的时候我们最常见的电路是高压上面下拉启动电阻到VCC。如图一

这一启动电路非常的简单与便宜，就两个启动电阻直接给VCC电容充电就可以了，这个电路流行了很多年，保证启动电流的情况下只需要注意启动电阻的耐压与功率就可以了

优点：电路设计简单、价格便宜，

缺点：损坏大，输入宽范围的时，为保证低压能正常启动，启动电阻阻值需要选小，高压时损耗非常大，设计的不好很容易在输入高压时损坏。所以很多时候为了解决这一问题都会选较大功率的启动电阻。

                                                              图一

随市场的需求，开关电源的效率要求越来越高，为了提高效率就推出了有源启动电路。如图二

                       图二

上图是一个有源启动电路，它是在原来的启动电阻上面加了一个控制电路，就是曾加了一个MOS管，这样做的原因是在正常工作后，让VCC绕着给一个电压把mos管关断，让启动电阻不在有电流流过，减小了正常工作后的损耗，但是VCC的时序的配好，因为在不同的状态下启动，会出现启动不起来的现象，利用这一电路是非常需要注意的，启动的电阻还是需要原来不加MOS管的时候的功率与阻值，有很多得工程师在用这一启动电路的时候会减小启动电阻的功率。认为启动后电阻就不在流过电流了，有见过用几颗贴片电阻替代的。这些都是没有考虑电源工作在异常状态，列如输出短路的时候，电源一直在启动，启动电阻基本上一直在工作着，这样功率不够的话，很快就会坏了。还有这一电路在生产的过程如果有出现了虚焊，在生产的过程中可能就会损坏。

优点：提高了整机的效率，

缺点：电路复杂调试难道增加，并且成本明显升高，故障率提高。

为了解决上面两个电路的缺陷，随电源管理芯片的技术更新，芯片公司就把有源启动电路做到了芯片里面，增加了高压启动脚

也就是如图三所示：

这一高压启动脚的出现，是因为芯片所需供电电流比较低的原因，很多得HV脚是有恒流充电的，启动电阻可以用贴片电阻，注意启动的最大电流来设计启动电阻就可以了，这样的好处是原来的有源电路不需要再在外面搭建外围电路，把芯片的外围电路简化了很多，在要求体积小效率高的场合非常流行。

                        图三

市场上现在要求有超低待机功耗，为了解决待机低功耗的问题，芯片厂家想到了把X

电容的泄放电阻进行取消，泄放电路由VCC启动电路来提供，也就出现了下面的电路

                                                                   图四

开关电源的钳位电路讲解

反激中RCD钳位电路的电压分析。

一：如上图红框里面的电路是反激电源的钳位电路，用的RCD钳位，这一个电路在开关电源中非常常见，可以说现在市面上的反激大部分是用的这一电路。

设计这个电路的目的是吸收反激变压器漏感的能量，限制MOS功率管的最大反向峰值电压。但是设计的时候我们怎么选取是一个很大的问题，RC吸收损耗太重会影响整机的效率，如果RC损耗太轻的就会影响MOS管的电压尖峰，导致尖峰太高MOS管电压应力超。所以设计这个电路我们的综合考虑

二：设计RCD吸收电路之前，我们要清楚为什么需要设计这一电路，目的是什么

对于反激变压器我都知道是有漏感存在的，

首先需要知道漏感是一个什么。

我们知道变压器主要是由初级线圈，次级线圈与磁芯组合而成，它是利用电磁感应的原理来改变交流电压的一种元器件，理想的变压器是没有损耗的并且没有漏磁通，但是实际中的电感是有损耗与漏磁通，初级线圈所产生的磁通不能都通过次级线圈，产生漏磁的电感就是漏感，也就是说在漏感中的能量是不能传递到副本的，这一部分能量只能在原边，不能传递到副边的这些能量我们的需要处理，可以通过一些电路来吸收掉，或是返回到输入母线上去，这就有人会设计所谓的无损吸收，但是在实际应用中比较复杂并且EMI不好，

所以大多数都是用RCD损耗掉了，那我们设计RCD的目的就是把漏感能力吸收掉，但是不能把主回路的能量损耗掉，否则会影响整机的效率。要做到这点必须对 RC 参数进行优化设计

三：我们来分析下RCD吸收的整个过程，

当MOS管开通的时候电感电流上升到Ip时MOS管关断，漏感上的能力不能传到副边，这时候只能通过D6给C3充电，把所以的能力都充到C3上，当C3比较小的时候，那么C3上的电压Vc就上升的比较高，这时候为了MOS管的应力，我们可能会加大C3的容量，具体可以通过测试实际的波形来判断，

但是，我们不希望电容太大，如太大会导致关断的时候C3上的电压Vc小于反射电压Vr，导致副边反射过来的电压Vr一直在给RCD充电，导致整机效率低。

电容的选择我们需要刚好适合我们MOS管的Vds电压。

我们的电阻的选择也不能太小了或太大，如果太小了会导致Q1没有开通前，C3上的电压已经掉到了反射电压Vr了，这时候反射电压Vr又会对RCD充电损耗输出的能量。

电阻值太大会导致我们在开机与短路的时候会出现MOS管电压应力超

我们如图上的C3上的电压波形3一样，就是关断的时候电压上升到Vr以上，当MOS管的开通的时候C3电容上的电压没有下降到Vr，并且当下次开通的时候C3上的电压还没有掉到0V.这是我们的最佳选。

四：钳位电路上的电阻与电容的选择。

VDS是MOS管的额定电压，我了留有余量我们一般都是取MOS管的额度电压的0.9倍。

Vc是RCD上C的电压

Vin-max是输入的最大电压

Vc=0.9VDS-Vin-max  

f为开关频率

Ip我原边的峰值电流

漏感上的能量都被电容吸收，然后都损耗到电阻R1上。

电阻上损失的功率Pr=Vc^2/R1,实际的电阻需要取2倍的Pr

漏感中转过来的能量WR=Wlr1+Wlr*Vr/（Vc-Vr）

转换成功率就是Pr=1/2*f*Lr*Ip^2{1+Vr/（Vc-Vr）}

Vc^2/R1=1/2*f*Lr*Ip^2{1+Vr/（Vc-Vr）}

R1=2(Vc-Vr)*Vc/(Ip^2*f*Lr)

钳位电容C3的取值

△V一般取Vc的5%-10% ,

C3≥Vc/（△V*R1*f）

在电阻与电容选定后，实际的电路中还需要测试看是不是我们需要的最值。