過負載保護方式介紹

大多數的開關模式電源轉換器在過載情況下採用各種方案不僅可以保護自身，同時在故障情況下限制負載來保護系統免受進一步損壞。本文內詳細說明讓使用者了解有關過負載電流保護所需的資訊，透過實際測量打嗝模式的限電流方式，以避免持續發生負載電流過大的問題。

 

緒論

切換式電源轉換器的輸出電壓必須滿足負載的要求，當輸出負載功率高於規格範圍或不適當的操作下，輸出電壓值可能不會穩定於設計位準。電源轉換器長時間過載運行產生過熱發燙，不但使得散熱鰭片的選擇變得複雜，進而減少產品可靠性，在特殊情況下甚至會燒毀印刷電路板走線，引起火災並導致其他危險。因此請務必查閱電源供應器使用說明書，以確保了解電源轉換器的過負載保護相關的注意事項。

電源轉換器的負載保護方式有很多種，其選擇取決於成本、複雜性和安全標準等等。過負載保護方法大致上分類成不可恢復類型和可恢復類型。不可恢復類型最常使用的方式是使用保險絲或斷路器，因為它對整體電路增加的阻抗可忽略不計，通常在主要負載路徑上與受保護電路串聯對轉換器來提供保護。一旦發生過載情況之後，必須立刻更換符合負載需求的保險絲，不可任意加大保險絲額定值；可恢復類型是從電源轉換器內部設計而來，並非外部元件決定。以下章節將討論可恢復類型的保護方式。

 

過負載保護方法

一旦發生過載狀況時，保險絲熔斷或斷路器跳閘，這代表該電流路徑被斷開，而後還需要人員更換保險絲或復歸斷路器，此確實不符合工業自動化趨勢。大多數電源轉換器都有內建過負載保護功能，該功能會關閉電源轉換器輸出電壓，並直到輸出負載降低於過載項目的規定值。如果負載狀況恢復正常，電源轉換器將自動重新啟動。實現過載保護(OLP)的方法有很多種，常見的方法有:定電流模式、返折電流模式、打嗝模式等限電流方法。

• 定電流模式

此方式概述透過偵測流經功率電晶體的電感峰值電流並限制功率元件的責任週期比，此可以實現每各週期的電流限制。正常操作下，經由功率電晶體對電感充電，再關閉功率電晶體再放電到負載端，一旦當發生過載時，輸出電流保持在限制值(I_Limit)，並且輸出電壓會慢慢下降至零。

 

圖2表示一個電源轉換器在正常跟過載模式的輸出電流。一旦電感峰值電流超過峰值臨界，輸出電流會保持不變維持在ILimit，而輸出電壓會漸漸下降。此時功率元件耗電量相對較大，多餘能量轉成熱能以導致外殼溫度上升和電源轉換器轉換效率低。

• 返折電流模式

此方式跟定電流模式類似，主要差異在於當電感電流超過限制值時，輸出電壓會降到零，但輸出電流會返回到低於正常值而不是零，從圖4可以顯示，當電感電流到達限制值，透過改變責任週期比，輸出電壓會逐漸下降，使得輸出電流將折返到低電流水平。但返折電流法的缺點是不能完全自我恢復，因為負載高於限流值後，轉換器在過載時可能會工作在返折區域，因此需要重啟設備或斷電才能恢復正常運作。

 

由此看出，在限流期間，低輸出電流會讓減少電源轉換器功率耗損，以防止功率電晶體溫度不穩定或熱失控，故電源轉換器容易維持在安全工作區(S.O.A.)。

• 打嗝模式

此限流方式是當電源轉換器輸出負載高過額定功率時，會減少或關閉輸出功率，此意味著過載保護啟動。當保護電路偵測到輸出過載，即已啟動打嗝模式，輸出電壓和輸出電流立即下降到零。然後，電源轉換器會嘗試在短時間內重新啟動。假若仍處於過載狀態，輸出電壓和輸出電流又會下降至零。電源轉換器通常會反覆關閉再次快速打開，直到過載狀況解除，電源轉換器才會恢復正常操作，如圖5.

 

該方法克服了上述保護方法的缺點。

第一，透過轉換器間歇開啟與關閉來降低了平均負載電流，從而加快轉換器冷卻，解決過熱的問題；第二，一旦過載狀況消除，轉換器能立刻自動恢復正常運作。

 

實驗

選用一個有過負載保護功能的電源轉換器， 下表為此實驗選用的直流-直流電源轉換器規格

Package	1x1”
Input voltage	9~36V, Nom. 24V
Output voltage	12V
Output current(max.)	2500mA
Overload protection(typ.)	170%
Efficiency (typ.)	90%

電源供應器當輸入源設備，而電源轉換器輸出端接到電子負載機與數位電錶，使用示波器觀察輸出電壓以及負載電流波形。實驗過程中，輸入電壓設定維持不變，再逐漸增加輸出電流(Io)，直到最大負載電流的170%，即過載閥值4.25A，此時電源轉換器開始進入打嗝模式，輸出電壓和負載電流均間歇性開啟和關閉，以減少平均電流。當負載電流略低於4.25A時，電源轉換器自動的重新啟動正常運作。

 

 

結論

過電流保護可強化電源轉換的可靠性，防止出現電子設備輸出短路、接地故障和電流過載的問題。因此，過載保護成為轉換器的基本功能，其中打嗝限流保護不僅解決散熱問題還能自恢復啟動，故是最為接受的方法。

 

 

 

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