如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

作者：Mornsun

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

電網(wǎng)電壓幅值的實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 V 交流電 ）。如果確實超過 264 V 交流電 ，電源可能會損壞，甚至導(dǎo)致設(shè)備跳閘和/或引發(fā)火災(zāi)，對安全和財產(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)電機供電等，變化范圍就大得多。有時變化范圍可以達到 20%30%（最大值可以達到 274299伏 交流電 ）。

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)輸入電壓達到 305 V交流電時，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.保險絲 F1 的標(biāo)稱電壓選擇

保險絲的標(biāo)稱電壓必須大于或等于關(guān)斷電路的最大電壓。由于保險絲的電阻非常低，只有在試圖中斷電流時，其標(biāo)稱電壓才變得重要。當(dāng)保險絲元件熔斷時，保險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絲元件再次引發(fā)電弧。

保險絲的常用規(guī)格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應(yīng)對輸入電壓的大幅波動，應(yīng)選擇 300 V 的保險絲。

2.壓敏電阻 RV1 的標(biāo)稱電壓選擇

在實際應(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，壓敏電阻處于高阻狀態(tài)，這不會影響電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時過壓并達到其導(dǎo)通電壓（壓敏電阻電壓）時，壓敏電阻迅速從高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，將異常瞬時過壓引起的瞬時過流排放掉，并將異常瞬時過壓鉗制在安全水平內(nèi)，從而保護后續(xù)電路避免因異常瞬時過壓而受損。

壓敏電阻的常見規(guī)格如下：

| | 壓敏電阻編號 | 壓敏電阻電壓范圍 | 最大連續(xù)交流工作電壓 | 最大連續(xù)直流工作電壓 | 最大極限電壓 |
| -------------- | ------------------ | ---------------------- | ---------------------- | -------------- |
| S10K300 | 423 V 至 517 V | 300 V交流電 | 385V直流 | 775 V |
| S10K350 | 504 V 至 616 V | 350 V交流電 | 455V直流 | 925V|

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 V 交流電 （385V 直流 ) 顯然不能滿足 305 V交流電的長期運行。為了防止壓敏電阻損壞，在輸入電壓波動較大的情況下，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 認證所要求的標(biāo)稱電壓是 310 V 交流電 ，而其他國家/地區(qū)則是 275 V、305 V交流電和 310 V 交流電 。在輸入電壓波動較大的情況下，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) V 在 = 264V交流電時，橋式整流二極管的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當(dāng) V 在 = 305V交流電時，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) V 在 = 264V交流電時，該電解電容器的最大應(yīng)力應(yīng)該是：Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當(dāng) V 在 = 305V交流電時，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 (V 莫斯 ) 等于：

V在指的是輸入電壓，最大輸入電壓為 431 V。

V或者是反射電壓，一般為 60-120 V，與初級和次級的匝數(shù)比呈正相關(guān)性。通過優(yōu)化設(shè)計，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 V交流電輸入的電涌，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)力的計算公式為：

VD-PK指的是由次級漏電感產(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，因此計算方法一般為：

假設(shè)輸出電壓為 12 V (V氧 = 12 V)，二極管的漏感峰值為 30 V ( V~D-PK ~ = 30 V)，MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V ( *V PK * = 80 V)，計算如下：

| | | 匝數(shù)比 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 |
| ---------------- | -------- | -------- | -------- | -------- | --------- | --------- |
| V 在 = 373 伏 | VD | 79.3V| 83.4V| 88.6V| 95.3V| 104.2V|
| V莫斯 | 573V| 561 伏 | 549伏| 537伏| 525伏|
| V 在 = 431V | VD | 85.1V| 89.8V| 95.8V| 103.5V| 113.8V|
| V莫斯 | 631V| 619伏| 607伏| 595V| 583V|

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 ( *V 在 * = 373 V)，而 MOS 晶體管和二極管的數(shù)值會相對較小，因而無法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過 373 V，就會有損壞的風(fēng)險。

綜上所述，以輸出電壓 12 V 為例，在電涌或輸入 305 V交流電的情況下，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。

輸入過壓的防護要求

根據(jù)上述計算，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。

| | 絲網(wǎng)印刷 | 元器件名稱 | 主流電源 | 305RAC 電源 |
| ---------- | -------------- | ---------------- | ------------- |
| F1 | 保險絲 | 250 V | 300 V |
| RV1 | 壓敏電阻 | 470 V | 560 V |
| CX1 | X 電容器 | 275 V | 310 V |
| BD1 | 整流橋 | 600 V 或 800 V | 1,000 V |
| C9 | 大電解電容器 | 400 V | 450 V |
| Q1 | MOS 晶體管 | 600 V | >e;650 V |
| D22 | 二極管 | 100 V | 150 V |

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，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，避免電弧對原型造成損壞或給人員帶來危險。

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）

| | 標(biāo)記號 | 名稱 | 主流電源的電氣間隙/爬電距離 | 305 RAC 電源的電氣間隙/爬電距離 |
| -------- | ----------------------- | ----------------------------- | --------------------------------- |
| ①② | L-N | 2.0 mm / 2.5 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ③ | 初級側(cè) - 次級側(cè) | 4.6 mm / 6.4 mm | 4.6 mm / 8.0 mm |
| ④ | 在橋式整流器前，LN-PE | 2.0 mm / 2.5 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ⑤ | 在橋式整流器后，LN-PE | 2.0 mm / 2.8 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ⑥ | VO-PE | 3.6 mm / 5.5 mm | 4.0 mm / 6.4 mm |

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

總結(jié)

輸入過壓會損壞電源并對人員造成傷害。如何避免輸入過壓？通過對電源元器件進行電壓應(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，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輸入過壓。此外，該電源還適用于對溫度、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。