导论

    折返(fold back)电流限制，有时候也称为可再启动电流限制。它类似于恒流控制，电压随着负载电阻变为零也相应减少，电流也会下降。但是就是这个小小的特性变化对电路性能却产生了很大的影响。为了解释它的原理，我们在这里考虑使用一个线性电源。

在线性电源中，折返电流限制的目的就是防止电源在出现故障时受到损害。采用折返电流限制的方法，电路在过载情况下减小电流，从而减少线性调整晶体管的损耗。因为线性调整晶体管存在高损耗，所以折返电流限制是线性电源中经常使用的方法。

折返电流限制的原理

图1展示了典型的可再启动特性曲线，它是折返电流限制电源输出端的实际测量结果。

    一个纯电阻负载可以描述为一根直的负载线，如图1中所示为5Ω的负载线。每一条电阻负载线的起点在零点，它的电流和电压是成比例的。

    在无负载即电阻无穷大时，负载线是垂直的。当负载电阻发生变化时，这根直的负载线将会以原点为中心点顺时钟转动，当短路时，其电阻为零，负载线成水平位置。应该注意到这根直的负载线只能与电源的可再启动特性曲线有一个交点，如图3或图1中的P1点，在线性电阻负载的情况下，即使其关断特性曲线是可再启动式的。“锁定”情形也不可能会出现。

    在图1所示的例子中，当负载电流从零增大时，其输出电压仍然保持为5v。但是当电流值增大到， 的限流值并到P2点时，如果再减少负载电阻(而增大负载)，会引起电压和电流的下降。因此在短路的情况下，输出端只输出小电流。

用于线性电源的折返电流限制电路的工作原理

在图2中表示的是简单线性电源，图中用虚线框起来的部分是一个典型的折返电流限制电路。在图1中显示了输出参数，在图2-b中显示了调整管的损耗。

    这个电路的工作原理如下：当串联的主调整晶体管Ql导通时，在限流电阻Rl上的电压与负载电流成正比。这个电压和Q1的基-射电压一起经过分压电阻R2与R3后加到限流晶体管Q2的基极。

    因为在限流点，Q1的与Q2的大致相等，R1上的压降与R2上的压降相等，只是相差+

的电平。在到达限流的突变点时，如忽略极小的基极电流，流过R2的电流与流过R3的电流相等，同时Q2处于将要导通的临界状态。

    在限流点上负载电流的进一步增大将会增加Rl上的压降和R2上的压降，同时Q2将逐渐导通。当Q2导通时，它会使驱动电流不经过Q1而通过Q3进人输出负载，这时Ql开始关断，输出电压下降。注意，Q3是一个恒流源。

    当输出电压下降的时候，R3上的电压下降，流过R3的电流随着减小，使得流人Q2基极的电流增大，因此流过R1的用来保持Q2导通状态的电流也会减小。

    结果，当负载电阻下降的时候，输出电压和电流下降。当输出电压变为零(输出短路)时，限流电流向电流减小的方向变化。在输出短路情况下，流过R1的电流非常小，而R1和R2上的电压也小。   

    由于Q2的基极电流主要由它的电流增益来决定，不同的器件会有不同的电流增益值，同时Q1和Q2的还受温度的影响，所以就不能得到确定的短路电流值。通过给Q1和Q2安装相同的散热器，使用阻值相对较小的R1和R2，在例子中取R1和R2的典型值为100Ω左右，可以使得这些因素的影响达到最小。

    在图1中应该注意的是，当输出电流试图超过，时会出现电流“折返”下降的现象。这个特性曲线可描述如下：

    如果5Ω负载线被允许沿顺时针摆动的话，电阻正在减小为0，在图1中电流“路径”将会被描述出来。从它的起始点Pl所对应的1A工作电流开始，电流首先增大到限流值，在负载电阻继续下降的情况下，电流就会变为零。在短路时，电流降到。

    在“折返”电流限制的整个过程中，由于线性调整管的集电极电压保持相对稳定，在串联调整晶体管Q1上的功率损耗将会随着电流的增加而增加，见图2-b。在这个特性曲线的开始部分，这个功率损耗值是非常小的，但是当电流变到限流状态时，功率损耗会迅速地增大。当流过调整晶体管产生的压降达到最大值的时候，损耗也会达到最大值，这里功率损耗是最大的。本例中，当电流为2．2A时调整管上损耗达到最大功耗，其值为6．8W。

    当负载电阻进一步下降到低于临界值时，串行调整管上的功率损耗将会随着电流的折返而逐渐减小，它的最小功耗值为，在处于短路情况时，Q1具体功耗是1.8W。

    值得注意的是，电流限制特性曲线电路属于恒流类型，如图1所示垂直虚线B路径，在短路状态下的最大功耗为12.8W。在线性调整管应用的例子中，调整晶体管在恒流控制时的功

耗比具有“折返”特性时的功耗大得多。

折返电流限制电源中的“锁定”

如图1与图3所示的负载线，对于电阻负载只有一个稳定工作点，如图中的P1点，它是某已给负载范围内的负载线与电源V-I，特性曲线的交点。图中所示为负载阻抗从最大向零变化的折返电流限制特性，该特性没有不稳定的区域也没有“锁定”，但是在有非线性负载的应用中，不会出现这种平滑的关断曲线。

    在图3中很明显地画出了使用钨丝灯R3的这种非线性负载线，表示了它与电源折返电流限制特性的工作情况。

    这里应该明白的一件事是，钨丝灯在刚通电时，由于钨丝的温度非常低，其电阻值非常小。在低的外加电压下，就会有很大的工作电流。当电压和电流增大的时候，钨丝的温度和阻值会增大，同时工作点也会向大电阻的方向变化。在有源半导体电路中经常可以找到这种非线性特性。

    要注意的一点是，这个非线性的负载线与电源的折返特性曲线有三个交叉点，其中P1和P2点郁是电源的稳定工作点。当这样一个电源负载第一次接通的时候，输出电压只是偏向在P2建立工作点，这时“锁定”就出现了。一个非常有趣的现象是，如果在接到电源之前负载已经工作过，也许可以期望在P1点建立正确的工作点。然而P1点只是一个稳定工作点，是针对钨丝灯以前已经工作的过程确定的。如果钨丝灯第一次通电，那么在钨丝灯供电期间在P2点仍将出现“锁定”现象。这是由于钨丝灯在P2点的钨丝灯负载线的动态电阻小于电源折返特性在相同点的动态电阻。因为P2点是一个稳定点，“锁定”现象也会一直出现，此例中的钨丝灯决不会达到充分点燃的状态。

有几种修改曲线的方法解决这个“锁定”。一种方法就是通过修改折返特性曲线，使其在钨丝灯负载线的非线性负载线的外部，见图4的曲线PLOT`B`与PLOT`C`。这时，这种特性只在P1点提供一个稳定工作模式。然而，修改折返特性曲线就意味着，当处于短路状态时，输出电流增大，相应的调整晶体管的功耗也会增加。这个功耗的增加也许不在电源设计参数允许的范围内。基于这个原因，宁可采用更复杂的限流电路。这种方法是在负载开始通电期间改变限流特性曲线的外形，然后恢复到正常的折返特性曲线形状。

另外一种解决“锁定”的方法就是修改电灯的非线性负载线形状，例如给钨丝灯串联一个非线性的电阻来改变负载线形状。采用NTC(负温度系数电阻)是非常适合的，当刚通电时，这个负载电阻较大，而处于正常工作状态的时候，其阻值会变小。NTC的电阻特性与钨丝灯的电阻特性是相反的，因此合成的电阻特性大致是线性的或过渡补偿的，合成的电阻特性见图4所示。但是需要电源提供一个稍微较高的电压来补偿NTC上的电压降。

    采用NTC是一个相对较好的方法。它不仅能解决“锁定”的问题还能减小在接通钨丝灯瞬间在钨丝灯上形成的冲击电流。因此这种方法能有效地增加灯泡的寿命。

    非线性负载一般以几种形式出现。一般来说，在电路用到了折返电流限制保护的场合中，任何在通电瞬间形成了大冲击电流的电路，都可能发生“锁定”现象。

具有交叉连接负载的折返锁定问题

    当两个或更多的电源串联在一起给某个线性电阻负载供电时，就有可能出现“锁定”现象。这种串联连接一般具有一根公共线而且能够输出正电压和负电压，有时这种电压的串联形式用来提供较高的输出电压。

    图5-a中显示的是串联的折返电流限制电源，这里，电源提供了±12V的输出电压。正常情况下常用的电阻负载R1和R2不会出现什么问题，其输出电流也在折返特性曲线范围内，见图5-b中的负载线R1和R2。但是当交叉连接负载R3的一端连接到正电压输出端而另外一段连接到负电压输出端时，那么在一定负载电流的幅值下就有可能导致“锁定”。

图5-b中显示两个折返电流限制保护电源的合成特性曲线。对于每个电源而言，R1和R2的负载线从原点出发，各自都只经过折返特性曲线交于一个点。而交叉连接负载R3的负载线的起始点可以假设为+V点或者为-V点。这样可以形成一根合成负载线，因此根据R3的大小，它可以位于折返特性曲线内部或外部。在这个例子中，尽管合成的负载线最后与特性曲线的交点为P1，但是当电源供应第一次接通时有可能会在P2点出现“锁定”现象。如像前面讲的那样，一种解决方法为增大两个电源在短路时的电流值，使工作点位于合成负载曲线上。

在图5-a中必须要安装旁路连接的钳位二极管Dl和D2，在供电期间它们用来阻止电源的反向偏置电压，该电压损坏其元器件。采用折返电流限制的保护电磁时，如果把反向电压偏置加到电源的输出端，从而加强了折返特性，电流也会变得更小。这种效果在图5-b用折返曲线的延伸虚线显示。

   总的来说，我们可以看到折返电流限制保护有许多缺点。同时我们也很明白，

如果不是必须的，不要使用折返电流限制保护电路，那么这些问题都可以很好地避免。

折返电流限制在开关电源中的应用

    在开关电源中，以前提到的一些方法也可以应用到折返电流限制保护电路中。但开关电源控制元件的损耗功率不再是输出电压和输出电流的函数，同时折返电流限制的保护效果将不复存在。

    因此，折返电流限制保护不应该指定用在开关电源中。它对电源的保护也不是必须的，同时它往往会带来一系列问题，例如“锁定”问题。正是因为如此，在开关电源中一般喜欢用恒流型电流限制的保护方法。

    尽管非线性的可再启动特性曲线偶尔应用于开关电源中，但是这些都是特例。引进和使用的可能性来源于线性损耗调整器的实践。采用恒流型电流限制时，在短路条件下线性调整器会．产生大量的内部功耗。但是，在开关电源不会产生大损耗的条件下，由于可再启动特性曲线可能给使用者带来一些麻烦，因此这里就没有太多的理由规定在开关电源中使用该种限流方法。给电源单元增加一个电路却降低电源的性能也是没有必要的。