如何防止电源短路与过电流损坏-电子发烧友网

防止电源在过电流条件下受损

为了确保电源在其生命周期内安全可靠地运行，通常会配备多种保护机制。其中一些机制在发生短路故障时限制输出电流，防止电源元件过热或损坏，从而使设备在故障排除后恢复正常运行。然而，某些使用案例和负载在特定条件下可能会触发这些保护机制，导致对故障源的混淆。因此，要判断故障是出在电源本身还是被供电设备上，必须了解电源所采用的保护机制及其局限性。

什么是短路

多数工程师都曾亲身经历过短路的后果：电线裸露的一端接触到接地外壳，“啪”的一声，电子元件就冒烟了。但在设计电源时，必须明确“短路”的定义，以构建相应的保护电路。通常，短路被定义为连接电阻低于1 Ω，或由于分流电阻导致输出电压下降至100 mV 以下的情形。在单输出电源中，短路发生在 +VOUT 和 -VOUT 之间。

图 1: 如果没有合适的保护电路，短路会损坏电源。

从恒流限制、折返电流限制（fold-back current limitation）到打嗝模式（hiccup mode），电源保护方式多种多样。但用户并不一定能察觉到这些保护机制是否已被触发，这使得故障诊断更加困难。此外，某些负载（如电容、电机）在某些条件下的电气特性与短路类似，也可能误触保护机制。

恒流限制是如何工作的？

当发生短路时，采用恒流限制的电源会在输出电流不变的情况下，将输出电压降至几乎为零。实际测量时，可能会有几毫伏的残余电压。在这种情况下，保护电路会确保电源的输出晶体管不受损。设备可以无限期地承受此种状态，确保即使在无人值守时也能安全运行。

务必了解的是，这与某些电源提供的“恒流过载保护”不同。数据手册可能指定 “恒流模式” 的输出电流为最大额定输出的 105 – 130%，但长期在该条件下工作会损毁电源。

图 2：限流电路持续输出指定电流，同时将电压降至接近零（左图）。简单的恒流限制电路（右图）。

折返电流限制提供什么保护？

另一种保护机制是折返电流限制。一旦电流消耗超过预定值时，该机制就会降低电流与电压。随着电流消耗的增加，电流和电压都会进一步降低。由于该机制尚未统一定义，电源设计人员可根据具体需求灵活实现。在查找此类设备故障时，由于电压与电流值似乎偏离数据手册的正常范围，这可能会造成混淆。

假设应用的电流消耗经常超过额定最大电流，但其水平不足以被视作短路。在这种情况下，电源仍有永久性损坏或故障的风险。而在真正的短路条件下，相较于恒流限制方法，折返电流限制能为电源更好地保护输出晶体管。

图 3：折返限流可同时降低输出电流与电压，电压降低的精确量可能有所不同，且没有统一定义。

然而，非线性和非欧姆负载可能引发问题。此类负载产生的大浪涌电流可能会导致“锁死”状态，即电源进入限流状态后无法自动退出的情况。

打嗝模式是如何保护电源的？

为了避免上述“锁死”现象，一些设计采用数字控制的“打嗝模式”保护。顾名思义，一旦检测到短路情况，电源会定期反复尝试重启其输出。由于输出电路已关闭，晶体管、MOSFET 和肖特基二极管等元件的热过载风险显著降低。同样，与折返限流类似，打嗝模式也没有实施标准，因此重启尝试的时间间隔可能从几十毫秒到几秒不等。