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如何进行伊顿ups电源电路的保护
1、判定正常状态
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恒压/恒流输出式单片开关电源可简称为恒压/恒流源。其特点是具有两个控制环路，一个是电压控制环，另一个为电流控制环。当输出电流较小时，电压控制环起作用，具有稳压特性，它相当于恒压源;当输出电流接近或达到额定值时，通过电流控制环使IO维持恒定，它又变成恒流源。这种电源 特别适用于电池充电器和特种电机驱动器。下面介绍一种低成本恒压/恒流输出式开关电源，其电流控制环是由晶体管构成的，电路简单，成本低，易于制作。
恒压/恒流输出式开关电源的工作原理
7.5V、 1A恒压/恒流输出式开关电源的电路如图1所示。它采用一片TOP200Y型开关电源(IC1)，配PC817A型线性光耦合器(IC2)。 85V～256V交流输入电压u经过EMI滤波器L2、C6)、整流桥(BR)和输入滤波电容(C1)，得到大约为82V～375V的直流高压UI，再通过初级绕组接TOP200Y的漏极。由VDZ1和VD1构成的漏极箝位保护电路，将高频变压器漏感形成的尖峰电压限定在安全范围之内。VDZ1采用 BZY97 C200型瞬态电压抑制器，其箝位电压UB=200V。VD1选用UF4005型超快恢复二极管。次级电压经过VD2、C2整流滤波后，再通 过L1、C3滤波，获得+7.5V输出。VD2采用3A/70V的肖特基二极管。反馈绕组的输出电压经过VD3、C4整流滤波后，得到反馈电压 UFB=26V，给光敏三极管提供偏压。C5为旁路电容，兼作频率补偿电容并决定自动重启频率。R2为反馈绕组的假负载，空载时能限制反馈电压UFB不致升高。
该电源有两个控制环路。电压控制环是由1N5234B型62V稳压管(VDZ2)和光耦合器PC817A(IC2)构成的。其作用是当输出电流较小时令开 关电源工作在恒压输出模式，此时VDZ2上有电流通过，输出电压由VDZ2的稳压值(UZ2)和光耦中LED的正向压降(UF)所确定。电流控制环则由晶体管VT1和VT2、电流检测电阻R3、光耦IC2、电阻R4～R7、电容C8构成。其中，R3专用于检测输出电流值。VT1采用2N4401型NPN硅管，国产代用型号为3DK4C;VT2则选2N4403型PNP硅管，可用国产3DK9C代换。R6、R5分别用于设定VT1、VT2的集电极电流值 IC1、IC2。R5还决定电流控制环的直流增益。C8为频率补偿电容，防止环路产生自激振荡。在刚通电或自动重新启动时，瞬态峰值电压可使VT1导通，利用R7对其发射结电流进行限制;R4的作用是将VT1的导通电流经VT2旁路掉，使之不通过R1。电流控制环的启动过程如下：随着IO的增大，当IO接 近于1A时，UR3↑→VT1导通→UR6↑→VT2导通，由VT2的集电极给光耦提供电流，迫使UO↓。由UO降低，VDZ2不能被反向击穿，其上也不再有电流通过，因此电压控制环开路，开关电源就自动转入恒流模式。C7为安全电容，能滤除由初、次级耦合电容产生的共模干扰。
该电源既可工作在7.5V稳压输出状态，又能在1A的受控电流下工作。当环境温度范围是0℃～50℃时，恒流输出的准确度约为±8%。
该电源的输出电压-输出电流(U0-I0)特性如图2所示。由图可见，它具有以下显著特点：
(1)当u=85VAC或265VAC时，特性曲线变化很小，这表明输出特性基本不受交流输入电压变化的影响;
(2)当IO<0.90A时处于恒压区，IO≈0。98A时位于恒流区，且UO随着IO的略微增加而迅速降低;
(3)当UO≤2V时，VT1和VT2已无法给光耦继续提供足够的工作电流，此时电流控制环不起作用，但初级电流仍受TOP200Y的最大极限电流 ILIMIT(max)的限制。这时，UR6↑，通过VT1和VT2使光耦工作电流迅速减小，强迫TOP200Y进入自动重新启动状态。这表明，一旦电流控制环失控，立即从恒流模式转入自动重启状态，将IO拉下来，对芯片起保护作用。
恒压/恒流输出式开关电源的电路设计
电压及电流控制环的单元电路如图3所示。
1、电压控制环的设计
恒压源的输出电压由下式确定：
UO=UZ2+UF+UR1=UZ2+UF+IR1·R1(1)
式 中，UZ2=6。2V，UF=1。2(典型值)，需要确定的只是R1上的压降UR1。令R1上的电流为IR1，VT2的集电极电流为IC2，光耦输入电流 (即LED工作电流)为IF，显然IR1=IC2=IF，并且它们随u、IO和光耦的电流传输比CTR值而变化。TOP200Y的控制端电流IC变化范围 是2.5mA(对应于最大占空比Dmax)～6。5mA(对应于最小占空比Dmin)，现取中间值IC=4.5mA。因IC是从光敏三极管的发射极流入控制端的，故有关系式
IR1=Ic/CTR (2)
在IC和CTR值确定之后，很容易求出IR1。单片开关电源须采用线性光耦 合器，要求CTR=80%～160%，可取中间值120%。将IC=4。5mA，CTR=120%代入式(2)得出，IR1=3.75mA。令 R1=39Ω时，UR1=0。146V。最后代入式(1)计算出
UO=UZ2+UF+UR1=6.2V+1.2V+0.146V=7.546V≈7.5V
2、电流控制环的设计
电流控制环由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等构成。下面需最终算出恒定输出电流IOH的期望值。图3中，R7为VT1的基极偏置电阻，因基极电流很小，而R3上的电流很大，故可认为VT1的发射结压降UBEI全部降落在R3上。则
IOH=UBE1/R3 (3)
利用下面二式可以估算出VT1、VT2的发射结压降：
UBE1=(kT/q)·In(Ic1/Is) (4)
UBE2=(kTq)·In(Ic2/Is) (5)
式中，k为波尔兹曼常数，T为环境温度(用热力学温度表示)，q是电子电量。当TA=25℃时，T=298K，kT/q=0。0262V。IC1、IC1分别为VT1、VT2的集电极电流。IS为晶体管的反向饱和电流，对于小功率管，IS=4×10-14A。
因为前已求出IR1=IF=IC2=3.75mA，所以UBE2=(kT/q)In(Ic2/Is)
=0.0262In(3.75mA/4×10 -14A)
=0.662V
又因IE2≈IC2，故UR5=IC2R5=3.75mA×100Ω=0。375V，由此推导出 UR6=UR5+UBE2=0.375V+0.662=1。037V。取R6=220Ω时，IR6=IC1=UR6/R6=4.71mA。下面就用此值来估算UBE1，进而确定电流检测电阻R3的阻值：
UBE1=0。0262In(4。71mA/4×10 -14A)=0。668
R3=IBE1/IOH=0。668V/1。0A=0。668Ω
与之最接近的标称阻值为0.68Ω。代入式(3)可求得
IOH=0.668V/0。68Ω=0.982
考虑到VT1的发射结电压UBE1的温度系数αT≈-21mV/℃，当环境温度升高25℃时，IOH值降为
I'OH=UBE1-‖αT‖·T/R3
=0.668V-(2.1mV/℃)×25℃/0.68Ω=0.905A
恒流准确度为
γ=(I'OH-IOH/IOH)·100%
=(0.905-0.982/0.982)·100%=-7.8%≈-8%
与设计指标相吻合。
反馈电源的设计
反馈电源的设计主要包括两项内容：
(1)在恒流模式下计算反馈绕组的匝数NB。之所以按恒流模式计算NB值，是因为此时UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V)，只有UFB足够高时，才能确保恒流源正常工作。
(2)在恒压模式下计算出反馈电压额定值UFB。此时UO=7.5V，UFB也将达到最大值，由此求得UFB值，能为选择光耦合器的耐压值提供依据。
反馈电压UFB由下式确定：
UFB=(Uo+UF2+IoR3)·NB/Ns-UF3 (6)
式中，UF2和UF3分别为VD2、VD3的正向导通压降。NS为次级匝数。从式(6)可解出
NB=(UFB+UF3/Uo+UF2+IoR3)·Ns (7)
在恒流模式下当负载加重(即负载电阻减小)时，UO和UFB会自动降低，以维持恒流输出。为使开关电源从恒流模式转换到自动重启状态时仍能给 TOP200Y提供合适的偏压，要求UFB至少比恒流模式下控制电压的最大值UCmax高出3V。这里假定UCmax=6V，故取UFB=9V。将 UFB=9V、UO=UCmin=2V、UF2=0.6V、UF3=1V、IO=IOH=0.982A、R3=0.68Ω、NS=12匝一并代入式 (7)，计算出NB=36.7匝≈37匝(取整)。
在恒压模式下，UO=7.5V，最大输出电流IO=0。95A，再代入式(6)求得，UFB=26V，此即反馈电压的额定值。选择光耦合器时，光敏三极管的反向击穿电压必须大于此值，即U(BR)CEO>26V。常用线性光耦的 U(BR)CEO=30V～90V。计算光敏三极管反向工作电压UIC2的公式为
UIC2=UFB-UCmin (8)
式中，UCmin为控制端电压的最小值(5.5V)。不难算出，UIC2=20.5V。这里采用PC817A型光耦合器，其U(BR)CEO=35V>20.5V，完全能满足要求。但在设计高压电池充电器时，必须选择耐高压的光耦合器。
在电子仪器设备设计、生产与质量检验过程中，会因为被检测仪器设备内部存在的不良问题而产生漏电、短路等故障。如果没有很好保护方法和措施，导致被检测仪器设备和所使用检测设备被“触电”而被损坏，同时也给试验、操作使用人员带来人身危险。本文所介绍的隔离调压式交流电源设计，有效地解决了上述的不安全问题。
交流电源(如单相220V)，是电子仪器设备工作主要的供电电源。在电子仪器设备设计、生产与质量检验过程中，特别是进行结构、性能指标的动态检验中，会因为被检测仪器设备内部存在的不良问题而产生漏电、短路等故障。在利用自耦调压器进行相关实验中，由于接线不正确，使用不合理，也会出现“被电”现象。上述情况，如果没有很好保护方法和措施，导致被检测仪器设备和所使用检测设备被“触电”而被损坏，同时也给试验、操作使用人员带来人身危险。为此，文中研究了一种“隔离调压式交流电源”，提出了相应设计与制作方法，对于解决上述类似不安全问题，具有重要作用。
原理设计
文中以稳压电源设备进行“在线模拟公路运输试验”为例，来说明“隔离调压式交流电源”设计的原理。稳压电源设备是以单相220V交流电作为供电电源，直流稳压输出+22V，最大输出功率220W(22V，10A)，对其进行在线模拟公路运输试验，就是在模拟振动试验台上进行带电试验，从而模拟检验运输状态下的技术性能与安装质量。
1、功能指标设计
分析可知，稳压电源设备工作所需用供给电源是单相220V/50Hz交流电，并且要求输入的功率大于220W。由于稳压电源设备的直流稳压性能要求比较高，因而对单相220W50Hz交流电变化的适应能力比较强，要求变化在180～260V范围内。同时考虑到使用自耦调压器的安全要求，在保证试验、保证安全的情况下，给“隔离调压式交流电源”设计提出了以下功能与技术指标要求：
1)分别提供220V/50Hz交流市电电源和可调的交流电源;
2)输出的220V/50Hz交流市电，功率≥1000W;
3)输出的可调交流电压范围为0～260V;输出功率≥300W;
4)具有输入电压、输出电压指示和输出电流显示;
5)要求具有漏电、过载保护功能;
6)输入、输出插头、插座安装固定牢靠。
2、原理设计
按照“隔离调压式交流电源”设计提出的功能与技术指标要求，设计原理如图1所示。基本原理：单相市电220V/50HZ电源，经漏电保护器、电源开关S1、保险丝接至自耦调压器B1输入端，又通过调节端输出到隔离变压器B2输入端;B2匝数比为1：1，则输出与输入相同的电压;然后经电流表输出到负载RFZ。电压表通过开关S2转换显示输入、输出电压。同时在原理电路中加入了漏电保护器。
电源开关S1的作用是控制两路交流电源的输出。当S1接至上端，“隔离调压式交流电源”输出市电;当S1接至下端，则输出可调0～260V的交流电压。离变压器B2，实现输出可调电压与输入市电电源绝缘隔离;通过调节自耦变压器B1达到调节输出电压的目的。C1选择容值0.47μF，耐压500V主要是为了滤除调整B1时产生的高频干扰谐波。
3、安全分析
保险丝加在了“隔离调压式交流电源”自耦调压器的输入端，根据输出功率大小，选定合适规格的保险丝;当负载过大时，保险丝熔断，达到保护试验设备的目的。
采用匝数比为1：1的变压器，实现与单相市电的绝缘隔离;制作合适的变压器，并且初次级绝缘强度高，即满足输出功率要求，又能够避免由于火线、零线、地线接错而带来的不安全问题。
运用漏电保护器，实现漏电保护;当试验中由于仪器设备出现故障或人;员操作不当发生漏电、触电问题时，漏电保护器及时工作，断开市电电源，以保证仪器设备及试验人员的安全。
“隔离调压式交流电源”设计中，具有上述3种安全措施，既保证有效进行试验，又增强了试验过程的安全性。
器件设计与选用
按照“隔离调压式交流电源”设计指标与功能要求，主要以输出可调交流电压的原理为主，研究设计和选用器件，为了保证性能和质量，针对所用器件做出以下设计与选择。
1、隔离变压器
变压器：它在电力系统中的重要作用是变换电压，以利于功率传输。变压器在磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电势，电势的大小与匝数成正比。变压器原、副线圈匝数不同，这样就起到了变压作用。
隔离变压器B2设计结构原理如图1、图2所示，匝数比为1：1，E型硅钢铁芯，初次级线圈之间加隔离层并接地，初、次级线圈与接地端的绝缘电阻≥1.5MΩ;输出功率≥300W。设计制作的B2，通过试验其性能参数如表1所示。可见，能够满足设计使用要求。
图2：自耦调压器原理
2、自耦调压器
自耦调压器是常用调压器的一种，其原理和自耦变压器原理相同。自耦调压器和动圈调压器、变磁通调压器和感应调压器相比，具有结构简单、故障率低、体积小、造价低、使用方便等优点，这正是“隔离调压式交流电源”选用自耦调压器的主要原因。当B1接入市电220V后，U12=220V，使用调节旋钮，使U32输出交流电电压在0～260V范围内。根据输出功率300W的要求，选择B1的功率≥500W。综合考虑“隔离调压式交流电源”的体积、功率等要求，选择了B1为TDG2型接触式自耦调压器，其参数有：输出功率500W;调压范围0～275V。
3、漏电保护器
漏电保护器是一种防止人身触电事故的安全防护装置，当电路中发生漏电或触电时，可以在很短时间内切断整个电路。
1)漏电保护器的基本工作原理
如图3所示，当负载发生漏电故障时，电流通过大地形成回路，负载侧对大地形成泄漏电流，穿过零序电流互感器CT的电流的矢量和不等于零。零序电流互感器CT感应出一个零序电流，当零序电流达到整定值，经放大器FA放大后驱动跳闸线圈Q，线圈Q通电产生磁场，吸动衔铁使开关K断开，线路及电器失去电源，从而保护了人身和电气设备的安全。
漏电保护器，有两种类型：即电压动作型和电流动作型，而电压动作型由于自身的种种弊端而被淘汰，现主要应用是以电流动作型漏电保护器为主。
2)漏电保护器设计选择
针对“隔离调压式交流电源”功能要求和使用对象，依据额定电流In、额定漏电动作电流I△n、漏电动作分断时间动作时间、额定漏电不动作电流I△n0等参数进行设计选择。
额定电流In。指能够持续流过漏电保护器的最大负载电流。这需要根据试验设备的功率之和Po来计算确定，即：In=Po/220。因为设计要求Po输出≥300W，所以选择漏电保护器的额定电流In≥1.36A。计算电流略大一点的漏电保护器，这样，在正常使用中，不至于漏电保护器因过负荷经常动作，影响正常使用。
额定漏电动作电流I△n。是漏电保护器一个重要的参数，是漏电保护器在规定的工作条件下必须动作的漏电电流值。当试验设备或漏电电流达到某一规定值时，漏电保护器必须可靠断开电路，使试验电器设备失去电源。一般情况下，应选择漏电电流为30mA的高灵敏度型的漏电保护器。
漏电动作分断时间动作时间。是从突然施加漏电动作电流开始到被保护的电路或设备完全被切断电源为止。漏电保护器的动作时间可分为3种，以保证在人身触电时的安全保护作用和适应分级保护的需要。快速型：动作时间不超过0.1s。定时限型：动作时间不超过0.1～2s。反时限型：动作电流时，动作时间不超过1s;2倍动作电流时，动作时间不超过0.2s;5倍动作电流时，动作时间不超过0.03s。在选择漏电保护器时，自然以安全为主，应当选用快速型、动作时间不超过0.1s的漏电保护器。
额定漏电不动作电流I△n0。漏电保护器选择，应保证在电路中出现规定值的漏电电流时应该保证正常动作，也应该在故障电流没有达到规定值，保证不动作。为此，漏电保护器的I△n0≯30mA。
综上述分析设计，选择型号为DZ47LE-32漏电保护器，技术参数为：额定电流In=10A;I△n=30mA;动作时间t≤0.1s;能够满足设计要求。
结构设计
根据“隔离调压式交流电源”工作原理，其结构设计有两种：按图1所示，漏电保护器设计在电源输入端的最前端，能够实现一旦发生漏电问题，能够及时断开输入市电电源。保险丝安装在次后，一旦试验设备发生过载，或出现短路问题，及时熔断，切断市电火线(L)通路。再之后接入自耦调压器和隔离变压器。而两种结构的区别在于第一种结构是自耦调压器在隔离变压器的前端;第二种结构是隔离变压器在自耦调压器的前端。由于自耦调压器、隔离变压器在通电时自身都消耗功率，通过实验得出自耦调压器空载功率消耗33W，隔离变压器空载功率消耗15.4W;在两种结构输出效率基本相同条件下，选择第一种结构比较合理，即图1所示结构;因为选择的自耦调压器输出功率及效率大于隔离变压器的输出功率和效率，能够减小结构的功率消耗和隔离变压器输出功率的压力。
输入、输出电压和输出电流都通过电表指示，安装在面板上;保险丝、漏电保护器等器件设计安装在便于维修、操作的位置。特别是输入、输出的接线插头、插座，采用良好的固定方法、工艺，使之接触良好、牢靠。
实验验证
“隔离调压式交流电源”设计的原理、器件选用和结构，是否科学合理，能否达到设计性能指标要求，必须通过实验加以验证。为此，将DZ47LE-32漏电保护器、保险丝(1.5A)、TDGG2型自耦调压器、300W隔离变压器和有关指示电表等，进行组装测试。
首先将自耦凋压器与隔离变压器组装在一起，市电220V交流电接在自耦调压器的输入端，输出端接隔离变压器的输入端，隔离变压器的输出端接入300W的阻性负载;测试的输出电压调节范围、输出功率、效率和部件工作温度等参数如表2所示。再将漏电保护器、保险丝接入电路中，测试的漏电动作电流、保险丝熔断负载功率(熔断电流)数据如表2所示。
通过实验验证，设计原理、器件的设计选用，达到了“隔离调压式交流电源”设计功能指标要求，同时对部件安装结构进行了优化，减小了功率损耗，增强了可靠性。
结束语
“隔离调压式交流电源”设计与制作，主要目的是解决电子仪器设备在设计生产、质量检验和自耦调压器使用过程中的不安全问题。根据自耦调压器、隔离变压器的功用特点和漏电保护器原理，进行了功能指标设计和器件(部件)、结构优化设计，并加以制作实验;通过对功能参数的测试，达到了设计要求，并具有很好的安全性。
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首先判定在在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。
此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。
2、进行过充电保护
锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V转为恒压充电，直至电流越来越小。
在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。
3、再进行过放电保护
电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。 在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
4、进行过电流保护
由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C，当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。
5、最后进行短路保护
电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。 除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。
科士达蓄电池：www.keshidaxudianchi.com
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