原标题：开关电源保护电路该如何设计？

开关电源保护电路的设计是确保电源在异常工况下安全运行的核心，需综合考虑可靠性、响应速度、成本及可维护性。以下是针对开关电源保护电路的详细设计方案、关键技术和实践建议，结合具体场景和案例说明。

一、开关电源保护需求分析

开关电源需防护以下典型故障：

二、保护电路设计方法

1. 过压保护（OVP）

• 硬件实现：

• 分压监测+比较器：通过电阻分压（如输出24V，阈值26.4V，分压比10:1）将电压信号送入比较器（如LM393），与基准电压（如2.4V）比较，触发关断。

• 专用IC：如TL431（可调基准）+光耦隔离，或集成OVP的电源IC（如LM5069）。

• 响应时间：<1μs（硬件触发）。

• 恢复方式：

• 锁存型：需手动复位（如保险丝熔断）。

• 自恢复型：电压恢复正常后自动重启（如MOSFET栅极驱动复位）。

2. 过流保护（OCP）

• 硬件实现：

• 采样电阻法：在输出端串联低阻值电阻（如10mΩ），通过运放放大压降信号（如10A电流对应0.1V压降，放大10倍后与1V基准比较）。

• 电流互感器：非接触式检测，适合大电流（如>50A）。

• 响应时间：<100ns（硬件触发）。

• 恢复方式：

• 打嗝模式：关断后延迟100ms~1s再重启，避免频繁触发。

• 逐周期限流：通过PWM控制器（如UC3843）动态调节占空比。

3. 短路保护（SCP）

• 实现方式：

• 快速OCP：将OCP阈值降低（如额定电流的200%~300%），触发后进入打嗝模式。

• 折返限流：短路时动态降低电流（如从10A降至2A），减少功率损耗。

• 关键点：

• 区分短路和重载（可通过电流上升速率判断）。

• 避免频繁重启导致器件热应力过大。

4. 过热保护（OTP）

• 硬件实现：

• 热敏电阻（NTC）：监测关键器件温度（如MOSFET），通过分压电路触发保护（如NTC在125℃时阻值降至1kΩ，分压后触发比较器）。

• 电源IC内置OTP：如LM5116的TEMP引脚。

• 恢复方式：温度降至阈值以下后自动重启。

5. 欠压锁定（UVLO）

• 硬件实现：

• 分压监测+比较器：输入电压低于阈值（如8V）时关断电源，高于阈值（如9V）时启动，回差1V防止振荡。

• 电源IC内置UVLO：如LM2596的ENABLE引脚。

三、保护电路设计要点

1. 可靠性设计

• 冗余保护：关键保护（如OVP、SCP）采用硬件+软件双重触发。

• 抗干扰：

• 增加滤波电容（如10nF）抑制比较器输入噪声。

• 使用迟滞比较器（如LM393的迟滞功能）避免振荡。

• 器件选型：

• 比较器选高速、低失调电压型（如LM393，带宽1MHz，失调电压<2mV）。

• 采样电阻选高精度、低温度系数型（如0.1%精度，±50ppm/℃）。

2. 响应速度优化

• 分级保护：

• 一级保护（硬件触发）：<1μs，直接关断功率器件。

• 二级保护（软件触发）：<10ms，记录故障并上报。

• 快速关断：

• 使用高速MOSFET驱动器（如UCC27524，驱动速度<25ns）。

3. 故障恢复策略

• 打嗝模式：

• 关断时间：10ms~1s（根据故障类型调整）。

• 重启次数限制：如连续5次重启失败后永久关断。

• 软启动：重启时缓慢增加输出电压，避免浪涌电流。

4. 安全性设计

• 绝缘与隔离：

• 高压侧保护电路（如OVP）需与低压侧隔离（如光耦ACPL-332J）。

• 故障指示：

• 通过LED或GPIO引脚输出故障状态。

四、典型应用案例

案例1：反激式开关电源保护设计

• 需求：输入24V±20%，输出12V/5A，需OVP、OCP、SCP、OTP。

• 方案：

• OVP：TL431+光耦，阈值13.2V（10%过压）。

• OCP：采样电阻10mΩ+运放（如LM358），阈值5.5A（110%过流），打嗝模式。

• SCP：OCP阈值降至15A（300%额定电流），折返限流至2A。

• OTP：NTC监测MOSFET温度，阈值125℃。

• 效果：

• 短路时输出电流限制在2A，MOSFET温度稳定在80℃以下。

案例2：同步整流Buck电路保护设计

• 需求：输入48V，输出5V/20A，需OVP、OCP、UVLO。

• 方案：

• OVP：电源IC（如LM5148）内置，阈值5.5V。

• OCP：采样电阻1mΩ+运放，阈值22A（110%过流），逐周期限流。

• UVLO：电源IC内置，阈值36V（关断）和38V（启动）。

• 效果：

• 过流时PWM占空比动态调节，输出电压稳定在5V±2%。

五、常见问题与解决方案

六、总结与推荐方案

1. 设计原则

• 快速响应：硬件触发优先，<1μs关断功率器件。

• 分级保护：区分轻微过载和严重故障。

• 自恢复能力：避免永久性损坏，降低维护成本。

2. 推荐方案

• 低成本方案：硬件比较器+采样电阻，适合简单应用。

• 高集成度方案：选用带保护功能的电源IC（如LM5164、UCC28740），减少外围电路。

• 高可靠性方案：硬件+软件双重保护，分级响应，故障记录。

3. 关键器件推荐

通过以上设计方法和实践案例，可显著提升开关电源的稳定性和安全性，满足工业、通信、消费电子等领域的严苛要求。保护电路的设计需结合具体应用场景，平衡成本与性能，确保电源在异常工况下可靠运行。