可编程电源在超载（过压、过流、过功率）时，若未及时保护，可能导致设备损坏、火灾甚至人员安全风险。以下从超载类型、保护机制、硬件设计、软件配置及典型应用五个层面，系统阐述如何实现可靠保护。
一、超载类型及危害
| 超载类型 | 定义 | 典型危害 |
|---|
| 过压（OVP） | 输出电压超过设定阈值 | 击穿负载电路（如电容、芯片），引发短路或火灾。 |
| 过流（OCP） | 输出电流超过设定阈值 | 烧毁负载电阻、导线，甚至电源自身功率器件（如MOSFET）。 |
| 过功率（OPP） | 输出功率（电压×电流）超过额定值 | 电源内部温度升高，导致电容爆裂、PCB板变形，长期使用降低寿命。 |
| 短路 | 输出端直接短路 | 瞬时电流可达额定值10倍以上，直接烧毁电源和负载。 |
二、核心保护机制
1. 硬件级保护（快速响应）
- 过压保护（OVP）
- 原理：通过比较器实时监测输出电压，当超过阈值时，触发MOSFET关断输出。
- 响应时间：通常<1μs（如Keysight E36300系列OVP响应时间<500ns）。
- 配置方法：
- 设置OVP阈值（如12V电源设为13V），通过电位器或数字接口调整。
- 过流保护（OCP）
- 原理：采样电阻检测电流，当超过阈值时，通过比较器或ADC触发保护。
- 类型：
- 恒流限制（Foldback）：电流超过阈值后，电压下降以限制功率（如LED驱动）。
- 恒功率限制：电压和电流成反比调整，保持功率恒定（如电池充电）。
- 配置方法：
- 设置OCP阈值（如5A电源设为5.5A），部分电源支持自动恢复或手动恢复。
- 过功率保护（OPP）
- 原理：通过乘法器计算电压×电流，当超过额定功率时触发保护。
- 应用场景：
- 宽范围输出电源（如0~60V/0~5A），需同时限制电压和电流组合。
- 短路保护
- 原理：检测输出端电阻<1Ω时，立即关断输出（如通过差分放大器监测压降）。
- 特性：
- 需支持快速关断（<10μs）和自恢复（如Keysight电源支持短路后自动重启）。
2. 软件级保护（灵活配置）
- 保护阈值设置
- 通过SCPI命令或GUI界面配置OVP/OCP/OPP阈值。
- 示例：
VOLT:PROT 13.0（设置过压保护13V）CURR:PROT 5.5（设置过流保护5.5A）
- 保护模式选择
- Latch模式：触发保护后需手动复位（如关闭电源再开启）。
- Auto-Recovery模式：触发后自动尝试恢复（如每100ms检测一次）。
- 配置命令：
PROT:STAT LATCH（Latch模式）PROT:STAT AUTO（Auto-Recovery模式）
- 保护日志与报警
- 记录保护触发时间、类型（OVP/OCP等），并通过蜂鸣器或LED报警。
- 示例：
- 电源日志显示“2023-10-01 14:30:00 OVP Triggered, Output Voltage=13.5V”。
三、保护电路设计要点
1. 采样与比较电路
- 电流采样：
- 使用低阻值采样电阻（如0.01Ω）和差分放大器（如INA219），将电流信号转换为电压信号。
- 示例：
- 5A电流通过0.01Ω电阻产生50mV压降，放大10倍后为0.5V，送入ADC或比较器。
- 电压采样：
- 通过电阻分压器将高压信号（如60V）降至ADC可测量范围（如0~5V）。
2. 快速关断机制
- MOSFET驱动：
- 使用高速驱动芯片（如TC4427）控制MOSFET关断，响应时间<100ns。
- 硬件互锁：
- OVP和OCP信号通过逻辑门（如AND门）互锁，确保同时触发时优先保护。
3. 抗干扰设计
- 滤波电容：
- 在采样信号线上增加RC滤波（如100Ω+10nF），降低高频噪声干扰。
- 迟滞比较器：
- 使用迟滞比较器（如LM393）避免保护阈值附近振荡。
四、典型应用场景与配置
1. 实验室测试设备
- 需求：
- 保护精密仪器（如示波器、频谱分析仪）免受意外过压损坏。
- 配置：
- OVP设为额定电压的110%（如12V电源设为13.2V），Latch模式。
- OCP设为额定电流的120%（如2A电源设为2.4A），Auto-Recovery模式。
2. 工业自动化产线
- 需求：
- 保护电机、PLC等负载免受短路或过载影响，确保生产连续性。
- 配置：
- OVP设为额定电压的105%（如24V电源设为25.2V），Auto-Recovery模式。
- OCP设为额定电流的150%（如10A电源设为15A），Latch模式+报警输出。
3. 电池充电系统
- 需求：
- 防止过充（过压）和过流（如快充阶段），延长电池寿命。
- 配置：
- OVP设为电池最大电压（如4.2V），恒压模式+Foldback限流。
- OCP设为充电电流上限（如2A），恒流模式+OPP保护。
五、保护机制对比与选型建议
| 保护类型 | 响应速度 | 适用场景 | 典型产品 |
|---|
| 硬件OVP | <1μs | 精密仪器、敏感负载 | Keysight E36300、Chroma 6310A |
| 硬件OCP | <10μs | 电机、工业设备 | Rigol DP832、BK Precision 1672B |
| 软件OVP | 10~100ms | 自动化测试、批量生产 | Keithley 2280S、ITECH IT8511+ |
| 短路保护 | <10μs | 所有场景（尤其高功率电源） | Ametek Sorensen SGA、EA-PS 9000 |
选型建议：
- 高精度需求：选择硬件OVP响应时间<500ns的电源（如Keysight E36300）。
- 宽范围输出：选择支持OPP保护的电源（如Chroma 6310A）。
- 自动化产线：选择支持SCPI命令和Latch模式的电源（如Keithley 2280S）。
六、总结与直接建议
- 核心保护逻辑：
- 硬件优先：OVP/OCP/短路保护通过硬件快速响应（<10μs），避免软件延迟。
- 软件补充：通过SCPI命令配置保护阈值、模式和日志记录。
- 直接建议：
- 实验室设备：OVP设为额定电压110%，Latch模式+报警。
- 工业负载：OCP设为额定电流150%，Auto-Recovery模式。
- 电池充电：恒压+恒流双模式，OPP保护防止过热。
- 典型应用示例：
- 示波器供电：12V电源，OVP=13.2V（Latch），OCP=2.4A（Auto）。
- 电机驱动：24V电源，OVP=25.2V（Auto），OCP=15A（Latch+报警）。
通过合理配置硬件和软件保护机制，可编程电源可在超载时实现毫秒级响应、精准保护、可追溯记录，确保设备和人员安全。
