如何解決開關(guān)電源輸入過壓的問題

輸入過壓是由電網(wǎng)負(fù)載的巨大波動(dòng)引起的。例如，在用電高峰期，電壓通常較低，而在設(shè)備關(guān)閉時(shí)，電壓則較高。

電網(wǎng)電壓幅值的實(shí)際變化范圍隨著電網(wǎng)容量、輸配電設(shè)備質(zhì)量、用電量以及其他因素的變化而變化很大。在擁有完善電源系統(tǒng)的城市和工業(yè)區(qū)里，變化范圍通常只有 ±15% 左右(最大值不超過 264 VAC)。如果確實(shí)超過 264 VAC，電源可能會(huì)損壞，甚至導(dǎo)致設(shè)備跳閘和/或引發(fā)火災(zāi)，對(duì)安全和財(cái)產(chǎn)造成威脅。

但是，在供電條件差的國家和地區(qū)，或者電網(wǎng)中存在負(fù)載變化大的設(shè)備的場合，如山區(qū)、高速公路隧道、充電站、發(fā)電機(jī)供電等，變化范圍就大得多。有時(shí)變化范圍可以達(dá)到 20%~30%(最大值可以達(dá)到 274~299 VAC)。

圖 1：惡劣工作環(huán)境下的電壓波形。(圖片來源：Mornsun Power)

輸入過壓下電源元器件的電壓應(yīng)力分析

以圖 2 中的反激式開關(guān)模式電源為例，分析當(dāng)輸入電壓達(dá)到 305 VAC時(shí)，如何根據(jù)電壓應(yīng)力選擇合適的元器件。

圖 2：反激式開關(guān)模式電源。(圖片來源：Mornsun Power)

1. 保險(xiǎn)絲 F1 的標(biāo)稱電壓選擇

保險(xiǎn)絲的標(biāo)稱電壓必須大于或等于關(guān)斷電路的最大電壓。由于保險(xiǎn)絲的電阻非常低，只有在試圖中斷電流時(shí)，其標(biāo)稱電壓才變得重要。當(dāng)保險(xiǎn)絲元件熔斷時(shí)，保險(xiǎn)絲必須能夠迅速斷開，熄滅電弧，并防止開路電壓通過斷開的保險(xiǎn)絲元件再次引發(fā)電弧。 保險(xiǎn)絲的常用規(guī)格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應(yīng)對(duì)輸入電壓的大幅波動(dòng)，應(yīng)選擇 300 V 的保險(xiǎn)絲。

2. 壓敏電阻 RV1 的標(biāo)稱電壓選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻 RV1 在電路中一般是并聯(lián)連接。當(dāng)電路正常工作時(shí)，壓敏電阻處于高阻狀態(tài)，這不會(huì)影響電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時(shí)過壓并達(dá)到其導(dǎo)通電壓(壓敏電阻電壓)時(shí)，壓敏電阻迅速從高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，將異常瞬時(shí)過壓引起的瞬時(shí)過流排放掉，并將異常瞬時(shí)過壓鉗制在安全水平內(nèi)，從而保護(hù)后續(xù)電路避免因異常瞬時(shí)過壓而受損。

壓敏電阻的常見規(guī)格如下：

表 1：S10K300 和 S10K350 的壓敏電阻電壓規(guī)格。(圖片來源：Mornsun Power)

壓敏電阻的電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路中的電壓峰值，即連續(xù)施加于壓敏電阻兩端的電源電壓應(yīng)小于壓敏電阻規(guī)格中的“最大連續(xù)工作電壓值(交流和直流)”。如表 1 所示，300 VAC (385 VDC) 顯然不能滿足 305 VAC 的長期運(yùn)行。為了防止壓敏電阻損壞，在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，就有必要選擇 10D561 壓敏電阻。

3. X 電容器 CX1 的標(biāo)稱電壓選擇

X2 安規(guī)電容器的標(biāo)稱電壓一般為 275 V、305 V 或 310 V，這些電壓實(shí)際上是通用的。由于不同國家/地區(qū)的標(biāo)稱電壓要求不同以及安全法規(guī)不同，X2 的標(biāo)簽并不一定準(zhǔn)確。例如，中國 CQC 認(rèn)證所要求的標(biāo)稱電壓是 310 VAC，而其他國家/地區(qū)則是 275 V、305 VAC 和 310 VAC。在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，最好使用 310 V 的 X 電容器。

4. 橋式整流器 BD1 的標(biāo)稱電壓選擇

當(dāng) VIN = 264 VAC 時(shí)，橋式整流二極管的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當(dāng) VIN = 305 VAC 時(shí)，橋式整流二極管的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。

由于開關(guān)電源需要做雷擊電涌測試，因此一般會(huì)選擇標(biāo)稱電壓大于 600 V 的橋式整流器。為了滿足更惡劣的電涌環(huán)境，也可以選擇 1000 V 的橋式整流器。

5. 電解電容器 C1 的標(biāo)稱電壓選擇

當(dāng) VIN = 264 VAC 時(shí)，該電解電容器的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當(dāng) VIN = 305 VAC 時(shí)，該電解電容器的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。

在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，應(yīng)選擇 450 V 的電解電容器。

6. MOS 晶體管 Q1 的標(biāo)稱電壓選擇

MOS 晶體管的電壓應(yīng)力 (Vmos) 等于：

VIN 指的是輸入電壓，最大輸入電壓為 431 V。

VOR 是反射電壓，一般為 60-120 V，與初級(jí)和次級(jí)的匝數(shù)比呈正相關(guān)性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，這可以假設(shè)為 80 V 或更低。

VPK 是由電感產(chǎn)生的峰值電壓，一般在 100 V 左右;通過優(yōu)化漏電感和吸收率參數(shù)，可以取為 80 V 或更低。

因此，MOS 晶體管 Q1 的工作電壓壓力應(yīng)該是：431 + 120 + 100 = 651 V。經(jīng)過優(yōu)化后，Q1 的工作電壓應(yīng)力可以是：431 + 80 + 80 = 591 V。因此，考慮到 305 VAC 輸入的電涌，為了保證 MOS 晶體管可靠工作，至少應(yīng)選擇 700 V 的 MOS 晶體管，但在優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感后，也可以選擇 650 V 的 MOS 晶體管。

7. 二極管 D1 的標(biāo)稱電壓選擇

二極管電壓應(yīng)力的計(jì)算公式為：

VD-PK 指的是由次級(jí)漏電感產(chǎn)生的峰值電壓。由于它受不同的輸出電壓和吸收率參數(shù)的影響很大，因此計(jì)算方法一般為：

假設(shè)輸出電壓為 12 V (VO= 12 V)，二極管的漏感峰值為30 V (VD-PK= 30 V)，MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V (VPK= 80 V)，計(jì)算如下：

表 2：匝數(shù)比、MOS 晶體管和二極管之間的電壓應(yīng)力關(guān)系。(圖片來源：Mornsun Power) 從表 2 可以看出，傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源只考慮 373 V 的輸入電壓 (VIN = 373 V)，而 MOS 晶體管和二極管的數(shù)值會(huì)相對(duì)較小，因而無法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過 373 V，就會(huì)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，以輸出電壓 12 V 為例，在電涌或輸入 305 VAC的情況下，為了保證二極管可靠工作，至少應(yīng)選擇 150 V 的二極管。然而，通過優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感，也可以選擇 100 V 的二極管。

輸入過壓的防護(hù)要求 根據(jù)上述計(jì)算，輸入過壓的最佳處理方法是優(yōu)化元器件的電壓應(yīng)力，如元器件選擇 Mornsun 的305RAC(所有條件下都可靠)電源。

表 3：Mornsun的 305RAC 和主流電源在若干不同標(biāo)稱電壓下的比較。（圖片來源：Mornsun Power） 同時(shí)，可以通過增加內(nèi)部電氣間隙和爬電距離來保持高壓線之間的安全距離，避免電弧對(duì)原型造成損壞或給人員帶來危險(xiǎn)。

圖 3：反激式原理圖顯示為避免產(chǎn)生電弧的電路走線安全距離（見表 4）。（圖片來源：Mornsun Power）

表 4：針對(duì)圖 3 中的電路對(duì)主流電源和 305RAC 電源的電氣間隙/爬電距離之比較。(圖片來源：Mornsun Power)

總結(jié)

輸入過壓會(huì)損壞電源并對(duì)人員造成傷害。如何避免輸入過壓?通過對(duì)電源元器件進(jìn)行電壓應(yīng)力分析，確定了開關(guān)模式電源的關(guān)鍵元器件選型指南。同時(shí)，增加電源的內(nèi)部電氣間隙和爬電距離，也有利于優(yōu)化電壓應(yīng)力。

通過比較主流電源和 Mornsun "305 RAC" 電源之間元器件的標(biāo)稱電壓、電氣間隙和爬電距離，305 RAC 交流/直流電源的功能可以有效地防護(hù)輸入過壓。此外，該電源還適用于對(duì)溫度、濕度、海拔、EMC 干擾等環(huán)境工作要求較高的惡劣和特殊環(huán)境。

小編的話

通過本文的介紹，我們了解到如何通過電壓應(yīng)力分析解決輸入過壓這一常見問題，并由此確立開關(guān)電源關(guān)鍵元器件的選型，以及如何通過增加電源的內(nèi)部電氣間隙和爬電距離，來優(yōu)化電壓應(yīng)力。您在開發(fā)開關(guān)電源的過程中是如何解決輸入過壓的問題?您在進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元器件選型時(shí)有哪些痛點(diǎn)或經(jīng)驗(yàn)?歡迎分享和交流!

審核編輯：湯梓紅