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摘要：本文通過開關(guān)電源在輸入電壓過壓異常時電源的可能失效現(xiàn)象，分析輸入過壓時對電源元器件的應(yīng)力影響、以及過壓時元器件的失效機理。針對在輸入過壓時電源可能存在的失效原因，給出解決方案，以便提升電源的抗輸入過壓能力，提升電源的可靠性，從而提升整機設(shè)備的可靠性，降低輸入電壓波動對電源和設(shè)備的失效影響。
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- 輸入電壓過壓原因
以上電源中元器件的失效原因往往是輸入端存在過高的電壓，或是輸入電壓中有疊加很高的電壓尖峰，導(dǎo)致電源的輸入電壓超過元器件的最大承受電壓而失效。
以上兩種情況，一旦輸入電壓波動過大，超過電源中元器件承受的最大電壓應(yīng)力，元器件就會失效，導(dǎo)致電源失效。
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1.1 輸入電網(wǎng)電壓波動
輸入電網(wǎng)電壓波動會導(dǎo)致輸入電壓過壓，主要是電網(wǎng)中的負(fù)載出現(xiàn)較大波動導(dǎo)致。例如在用電高峰時期電網(wǎng)電壓往往偏低；在一些有大型電動機或是感性負(fù)載的廠房場合，當(dāng)負(fù)載停機或是開機時，往往都會急劇抬高或拉低電網(wǎng)的電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)波動。國家標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)電壓波動等級有如下規(guī)定：
電網(wǎng)電壓幅值實際變化范圍隨電網(wǎng)容量的大小、輸配電設(shè)備質(zhì)量的好壞、用電量的大小、電網(wǎng)后端負(fù)載、實際應(yīng)用環(huán)境等條件不同而產(chǎn)生很大的差別。在供電較好的城市和工業(yè)區(qū)，電網(wǎng)電壓變化范圍通常只有±10%（電網(wǎng)額定電壓220VAC，波動上限為264VAC）左右。因此開關(guān)電源的輸入電壓最大值一般都是設(shè)計為264VAC。一旦電網(wǎng)電壓超過264VAC，開關(guān)電源有可能會損壞，嚴(yán)重時甚至?xí)斐稍O(shè)備跳閘、著火，對人員和財產(chǎn)造成威脅。
在供電條件較差的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)、或者電網(wǎng)存在負(fù)載變化很大的應(yīng)用場景：如山區(qū)、公路隧道，發(fā)電機等電網(wǎng)供電場合，電壓變化范圍可能要大得多，有時甚至能夠達(dá)到20%~30%（274~299VAC）。此時電網(wǎng)輸入電壓已經(jīng)超過電源的最高輸入電壓264VAC，因此電源存在很高的失效風(fēng)險，導(dǎo)致設(shè)備停電失效。惡劣工況下的電網(wǎng)電壓波形如下圖所示。
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1.2 電網(wǎng)中存在感應(yīng)高壓電壓尖峰
當(dāng)用電設(shè)備在戶外場合時，在雷雨天氣打雷時，電網(wǎng)中有時會感應(yīng)到雷電高壓尖峰電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)輸入電壓存在一個較高的電壓尖峰，此尖峰電壓會疊加到220VAC輸入電壓中，導(dǎo)致尖峰電壓隨之進(jìn)入電源內(nèi)部，電源內(nèi)部的元器件過壓損壞。最惡劣的情況是雷電直接擊中電網(wǎng)電線，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓瞬間上升到電源和設(shè)備無法承受的值，電源直接損壞。如下圖所示，當(dāng)感應(yīng)電壓進(jìn)入到電源內(nèi)部時，輸入大電解電容兩端會產(chǎn)生一個很高的浪涌尖峰電壓。此尖峰電壓會導(dǎo)致大電容過壓失效。
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- 輸入過壓時電源的元器件電壓應(yīng)力分析
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2.1 保險絲F1額定電壓選擇
保險絲在正常工作時，其阻值是非常低，相當(dāng)于一根導(dǎo)線。只有當(dāng)流過的電流過大時，超過保險絲的熔斷電流后，保險絲才會熔斷，此時保險絲的額定電壓值才變得重要。當(dāng)保險絲內(nèi)部的熔絲熔斷后，保險絲必須快速的斷開，并且斷開后兩端不能有拉弧現(xiàn)象發(fā)生，從而形成開路情況保護(hù)后端電路。在保險絲斷開后，兩端承受的電壓不能讓斷開的熔絲再次發(fā)生拉弧而導(dǎo)電。因此保險絲的額定電壓指的是熔斷后其兩端能夠承受的最高電壓，在此電壓下，熔斷的保險絲不能被擊穿拉弧而導(dǎo)電。
保險絲常見的額定電壓規(guī)格有125V、250V、300V、400V等，對于輸入電壓最高為264VAC的開關(guān)電源，在輸入電壓波動較大的情況下，選擇300VAC額定電壓值的保險絲就可(還要考慮成本)。因此在輸入電壓波動到305VAC時，開關(guān)電源中選擇300VAC規(guī)格額定電壓值的保險絲，可以提高電源的可靠性，降低電壓波動對電源的影響。
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2.2 壓敏電阻RV1額定電壓選擇
壓敏電阻的作用：在實際電路應(yīng)用中，壓敏電阻RV1是并聯(lián)在輸入端L和N線之間。當(dāng)電路正常工作時，它處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常工作；但是當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時過電壓并達(dá)到其導(dǎo)通電壓（壓敏電壓）時，壓敏電阻迅速由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，泄放由異常瞬時過電壓導(dǎo)致的瞬時過電流，同時把異常瞬態(tài)過電壓鉗位在一個安全水平之內(nèi)，從而保護(hù)后級電路免遭異常瞬時過電壓的損壞，達(dá)到防止輸入電壓瞬時過壓損壞電源的作用。
常見的壓敏規(guī)格如下表：
壓敏電阻的額定壓敏電壓值要大于實際電路中的穩(wěn)態(tài)工作輸入電壓值，即連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的輸入電壓值要小于壓敏電阻規(guī)格書中的“最大連續(xù)工作電壓值”。如上表，300V AC和385V DC的壓敏顯然不滿足長時間工作在305VAC輸入電壓條件下。為防止壓敏電阻損壞，同時為了防護(hù)輸入電壓存在電壓尖峰波動導(dǎo)致電源失效，輸入處的壓敏電阻需要選擇561規(guī)格型號，提高電源的抗輸入電壓波動能力和抗輸入尖峰電壓能力，從而提高電源的可靠性和設(shè)備的可靠性。
2.3 X電容CX1額定電壓選擇
X安規(guī)電容主要是跨接在輸入L和N線之間，其額定電壓一般有：275V / 305V / 310VAC等。出現(xiàn)這樣的情況，主要是不同國家的安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一樣、不同安規(guī)認(rèn)證要求的額定電壓不一樣導(dǎo)致。CQC認(rèn)證要求的額定電壓是310V AC，其它國家要求為：275V、305V AC、310V AC。為提高電源的可靠性，在對應(yīng)輸入電壓波動比較大的應(yīng)用場合，選擇額定電壓值為310VAC的X安規(guī)電容，可以提高電源的抗輸入過壓能力，提高電源的可靠性。
2.4 整流橋BD1額定電壓選擇
整流橋的作用是把交流電壓整流成脈動的直流電壓，因此其額定電壓值的選取是由輸入電壓值決定的。
因此整流橋可以選用600V額定電壓規(guī)格的元器件，但是在實際應(yīng)用中，由于開關(guān)電源的輸入電壓存在一定的波動，實際的輸入電壓值有時會超過電源的最大工作電壓值；同時開關(guān)電源還需要滿足EMC性能實驗，特別是雷擊浪涌和脈沖群實驗，都是在輸入電壓基礎(chǔ)上疊加電壓尖峰。因此為了提高電源的可靠性，整流橋一般都是選用規(guī)格值為1000V的元器件。
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2.5 輸入大電解電容C1額定電壓選擇
因此為了應(yīng)對輸入電壓存在較大波動情況下，電容還留有一定的電壓裕量，大電解電容的額定電壓值應(yīng)該選用450VDC規(guī)格的電解電容（如果選擇更高的耐壓值，成本和體積都會大大增加）。
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2.6 MOS管Q1額定電壓選擇
在反激拓?fù)湓碇?，MOS管的電壓應(yīng)力計算如下所示：
因此考慮到輸入電壓在305VAC基礎(chǔ)上存在一定的波動而輸入電壓過壓，選用規(guī)格為650V的MOS管在電路中工作，MOS管的應(yīng)力還有一定的裕量，并且MOS管的電壓應(yīng)力可以通過進(jìn)一步調(diào)整變壓器和電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化降低。
因此當(dāng)輸入電壓在305VAC穩(wěn)態(tài)工作時，即使電網(wǎng)電壓存在一定的波動，選用650V的MOS管，也是有一定的電壓應(yīng)力裕量，可以提高電源在輸入過壓下的可靠性。當(dāng)然MOS管的規(guī)格參數(shù)可以選用更高的電壓值，但是成本也會上升。
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2.7 二極管D1額定電壓選擇
因此輸入電壓、變壓器的原次邊匝比n不同，MOS管和二極管的電壓應(yīng)力值如下表所示：
由上表可知，若開關(guān)電源的輸入電壓只考慮到
=373VDC（此時交流輸入電壓值為264VAC），MOS管和二極管的電壓應(yīng)力規(guī)格取值都會偏小。此時開關(guān)電源不能適用于=431VDC（交流輸入電壓305VAC）的情況。因此對于輸入電壓范圍為85-264VAC的開關(guān)電源而言，一旦輸入電壓波動超過264VAC的最高額定工作電壓時，電源就會有輸入過壓損壞的風(fēng)險。綜上所述，以開關(guān)電源的輸出電壓12V為例，考慮到305VAC輸入電壓波動的情況、或是存在雷擊浪涌尖峰電壓情況下，為保證二極管可靠工作，二極管選取規(guī)格參數(shù)150VDC為宜。當(dāng)然也可以通過調(diào)整優(yōu)化變壓器的匝比、漏感和二極管的吸收電路參數(shù)等，降低二極管的電壓應(yīng)力，選取100V規(guī)格的二極管。只是二極管的電壓應(yīng)力裕量會比較小。
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- 輸入過壓防護(hù)要求和解決方案
3.1 輸入電網(wǎng)電壓波動的輸入過壓防護(hù)方案
針對輸入電網(wǎng)波動時開關(guān)電源的防護(hù)方案，根據(jù)本文第二章對電源中各個元器件的電壓應(yīng)力計算可知，為了解決輸入電壓過壓導(dǎo)致開關(guān)電源的損壞，最好的辦法就是優(yōu)化元器件的電壓應(yīng)力，選用更高規(guī)格參數(shù)的元器件。以下表格中是最高輸入電壓為264VAC和電壓波動到305VAC時的元器件選取規(guī)格參數(shù)。
同時，輸入電壓波動到更高的電壓后，電源內(nèi)部的任意兩點之間的絕緣電壓也會隨之升高，為了加強電源內(nèi)部的絕緣性能，增加可靠性?？梢酝ㄟ^加大電源內(nèi)部走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離來保持高壓導(dǎo)線之間的安全距離，這樣就不會因為安全距離不夠而產(chǎn)生的拉弧、放點現(xiàn)象，導(dǎo)致電源損壞或是危害人身安全。
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因此根據(jù)以上分析，對于輸入電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致的輸入過壓的防護(hù)方案，可以采取以下兩個措施：1、開關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件的規(guī)格選用更高等級的參數(shù)(當(dāng)然需要兼顧可靠性和成本的平衡)；2、同時加大電源中的走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離；通過這兩個方案的結(jié)合，開關(guān)電源防護(hù)輸入過壓的能力會大大提高，增加開關(guān)電源抗輸入電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致的輸入過壓損壞的風(fēng)險。
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3.2 輸入電網(wǎng)中存在高壓尖峰電壓的輸入過壓防護(hù)方案
對于輸入電網(wǎng)電壓波動的輸入過壓，此過電壓維持的時間比較長，是一個穩(wěn)態(tài)過程，因此需要通過3.1節(jié)中的方案進(jìn)行防護(hù)。對于電網(wǎng)輸入電壓中存在瞬間的高壓尖峰電壓的輸入過壓防護(hù)，由于此尖峰電壓持續(xù)的時間非常短，一般為毫秒甚至是微秒級別。此高壓尖峰電壓的特點是：尖峰電壓高，持續(xù)時間短，尖峰電壓的能量并不大。根據(jù)此尖峰電壓的特點，可以通過壓敏電阻進(jìn)行鉗位防護(hù)，或是在開關(guān)電源的輸入端增加一個濾波器，防護(hù)效果更好。
在實際的開關(guān)電源應(yīng)用場合中，輸入電網(wǎng)電壓波動和高壓尖峰電壓可能會同時存在，因此為了防護(hù)此更加惡劣的工作條件下的開關(guān)電源，可以結(jié)合以上兩種解決方案，以便增強開關(guān)電源的應(yīng)用可靠性，提升設(shè)備的抗輸入過壓能力。
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- 總結(jié)
針對抗輸入過壓的電源產(chǎn)品，旭之源科技有相應(yīng)的電源產(chǎn)品方案：升級版AM-V2系列和半灌膠AMF-UH系列，這兩個系列的開關(guān)電源可以很好的解決輸入過壓導(dǎo)致電源失效的問題。另外也能通過搭配濾波器，進(jìn)一步增強開關(guān)電源的抗輸入過壓時的風(fēng)險，提升開關(guān)電源和設(shè)備的工作可靠性。
工商網(wǎng)監(jiān)
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