電源の過電圧保護

電源の過電圧保護は非常に便利です。PSUに障害が発生すると、機器に大きな電圧がかかる可能性があります。 過電圧保護は、リニアレギュレータとスイッチモード電源の両方でこれが発生するのを防ぎます。

最新の電源装置は現在非常に信頼性がありますが、故障する可能性は常に小さいですが実際にあります。

それらは多くの方法で故障する可能性があり、特に心配な可能性のXNUMXつは、直列パス要素、つまりメインパストランジスタまたはFETが短絡するような方法で故障する可能性があることです。 これが発生した場合、過電圧と呼ばれることが多い非常に大きな電圧が、電力が供給されている回路に現れ、機器全体に壊滅的な損傷を与える可能性があります。

過電圧保護の形で少し余分な保護回路を追加することにより、このありそうもないが壊滅的な可能性から保護することが可能です。

高価値機器の非常に信頼性の高い動作のために設計されたほとんどの電源装置は、電源装置の障害が電力を供給されている機器に損傷を与えないことを保証するために、何らかの形の過電圧保護を組み込んでいます。 これは、リニア電源とスイッチモード電源の両方に適用されます。

一部の電源装置には過電圧保護が組み込まれていない場合があり、高価な機器に電力を供給するために使用しないでください。小さな電子回路設計を行い、小さな過電圧保護回路を開発して、これを追加アイテムとして追加することができます。

過電圧保護の基本

電源装置が故障する可能性のある多くの方法があります。 ただし、過電圧保護と回路の問題についてもう少し理解するには、非常に単純なツェナーダイオードと直列パストランジスタを使用したリニア電圧レギュレータの簡単な例を簡単に取り上げます。

ツェナーダイオードとエミッタフォロワを使用した基本的なシリーズレギュレータ

より複雑な電源はより良い性能を提供しますが、出力電流を流すために直列トランジスタにも依存しています。 主な違いは、レギュレータ電圧がトランジスタのベースに印加される方法です。

通常、入力電圧は、直列電圧レギュレータ要素の両端で数ボルトが降下するようなものです。 これにより、直列パストランジスタが出力電圧を適切に調整できるようになります。 多くの場合、直列パストランジスタで降下する電圧は比較的高くなります。12ボルトの電源の場合、必要なレギュレーションやリップル除去などを行うために、入力はさらに18ボルトになる場合があります。

これは、電圧レギュレータ要素でかなりのレベルの熱が放散され、入力に現れる可能性のある過渡スパイクと組み合わされる可能性があることを意味します。これは、常に故障の可能性があることを意味します。

トランジスタの直列パスデバイスは、通常、開回路状態で故障しますが、状況によっては、トランジスタがコレクタとエミッタの間に短絡を発生させる場合があります。 これが発生した場合、完全に調整されていない入力電圧が電圧レギュレータの出力に表示されます。

全電圧が出力に現れた場合、供給されている回路にある多くのICに損傷を与える可能性があります。 この場合、回路は経済的な修理をはるかに超えている可能性があります。

スイッチングレギュレータの動作方法は大きく異なりますが、電源の出力に全出力が表示される場合があります。

線形安定化電源とスイッチモード電源の両方について、何らかの形の過電圧保護が常に推奨されます。

過電圧保護の種類

多くの電子技術と同様に、特定の機能を実装する方法はいくつかあります。 これは、過電圧保護にも当てはまります。

使用できるいくつかの異なる手法があり、それぞれに独自の特性があります。 電子回路の設計段階で使用する方法を決定する際には、パフォーマンス、コスト、複雑さ、および動作モードをすべて検討する必要があります。

• SCRクローバー：名前が示すように、過電圧状態が発生した場合、クローバー回路は電源の出力間に短絡を発生させます。 通常、サイリスタ、つまりSCRは、大電流を切り替えて電荷が分散するまでオンのままであるため、これに使用されます。 サイリスタはヒューズにリンクして戻すことができます。ヒューズは、レギュレーターを飛ばして、レギュレーターにそれ以上の電圧がかかるのを防ぎます。

  サイリスタクローバー過電圧保護回路

  この回路では、ツェナーダイオードは、その電圧が出力の通常の動作電圧より高くなるが、損傷が発生する電圧より低くなるように選択されています。 この導通では、ブレークダウン電圧に達していないため、ツェナーダイオードに電流が流れず、サイリスタのゲートに電流が流れず、オフのままになります。 電源は正常に動作します。

  電源の直列パストランジスタに障害が発生すると、電圧が上昇し始めます。ユニットのデカップリングにより、瞬時に上昇しないようになります。 上昇すると、ツェナーダイオードが導通し始めるポイントより上に上昇し、電流がサイリスタのゲートに流れて、サイリスタがトリガーされます。

  サイリスタがトリガーされると、電源の出力がアースに短絡し、電力を供給する回路の損傷を防ぎます。 この短絡は、ヒューズやその他の要素を飛ばして、電圧レギュレータの電源を切り、ユニットをそれ以上の損傷から隔離するためにも使用できます。

  多くの場合、小さなコンデンサの形でデカップリングがサイリスタのゲートからグランドに配置され、電力であるユニットからの鋭い過渡現象またはRFがゲート接続に到達してスプリアストリガーを引き起こすのを防ぎます。 ただし、実際の障害の場合に回路の起動が遅くなり、保護の設定が遅すぎる可能性があるため、これを大きくしすぎないでください。

  サイリスタクロウバーの過電圧保護に関する注意：

  サイリスタまたはSCR、シリコン制御整流子を使用して、電源回路の過電圧保護を提供できます。 高電圧を検出することにより、回路はサイリスタを起動して、電圧レールの両端に短絡またはクローバーを配置し、電圧が高くならないようにします。

  もっと読む サイリスタクロウバー過電圧保護回路。

• 電圧クランプ：過電圧保護のもうXNUMXつの非常に単純な形式は、電圧クランプと呼ばれるアプローチを使用します。 最も単純な形式では、安定化電源の出力の両端に配置されたツェナーダイオードを使用して提供できます。 ツェナーダイオードの電圧が最大レール電圧よりわずかに高くなるように選択されている場合、通常の状態では導通しません。 電圧が高くなりすぎると、導通を開始し、レール電圧よりわずかに高い値で電圧をクランプします。

  安定化電源に高い電流能力が必要な場合は、トランジスタバッファ付きのツェナーダイオードを使用できます。 これにより、トランジスタの電流利得に等しい係数で、単純なツェナーダイオード回路の電流能力が向上します。 この回路にはパワートランジスタが必要であるため、電流ゲインレベルは低くなる可能性があります（おそらく20〜50）。

  ツェナーダイオード過電圧クランプ
  （a）-単純なツェナーダイオード、（b）-トランジスタバッファを備えたより高い電流

• 電圧制限：スイッチモード電源に過電圧保護が必要な場合、消費電力要件とコンポーネントのサイズとコストの可能性があるため、SMPSクランプおよびクローバー技術はあまり広く使用されていません。

  幸い、ほとんどのスイッチモードレギュレータは低電圧状態で故障します。 ただし、過電圧状態の場合に備えて、電圧制限機能を導入することが賢明な場合がよくあります。
  
  多くの場合、これは過電圧状態を検知してコンバータをシャットダウンすることで実現できます。 これは、DC-DCコンバータの場合に特に当てはまります。 これを実装するときは、メインICレギュレータの外側にあるセンスループを組み込む必要があります。多くのスイッチモードレギュレータとDC-DCコンバータは、回路の大部分を実現するためにチップを使用します。 スイッチモードレギュレータチップが損傷して過電圧状態になると、センスメカニズムも損傷する可能性があるため、外部センスループを使用することが非常に重要です。

  明らかに、この形式の過電圧保護には、使用する特定の回路およびスイッチモード電源チップに固有の回路が必要です。

XNUMXつの手法すべてが使用され、効果的な電源過電圧保護を提供できます。 それぞれに長所と短所があり、技術の選択は与えられた状況に応じて行う必要があります。

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