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如何有效防護開關電源輸入過壓現象

發布時間:2022-06-06 來源:金升陽 責任編輯:wenwei

【導讀】本文簡述了開關電源輸入過壓的危害,分析了輸入過壓對電源元器件電壓應力的影響,同時給出如何有效防護的措施,推薦使用305全工況AC/DC電源,可較大提升電網波動時電源的可靠性。


一、引言


輸入電壓過壓是電網負載出現了較大的波動而引起的。例如在用電高峰時電壓往往偏低,有設備停機時電壓往往偏高。國家標準對電壓波動等級有如下規定:


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電網電壓幅值實際變化范圍隨電網容量的大小、輸配電設備質量的好壞、用電量的大小等條件不同而產生很大的差別。在供電較好的城市和工業區,變化范圍通常只有±15%(264VAC)左右,超過264VAC電源有可能會損壞,嚴重時甚至會造成設備跳閘、著火,對人員和財產造成威脅。


而在供電條件下較差的農村和邊遠地區,或者電網存在負載變化很大設備的場景,如山區、公路隧道,充電樁、發電機供電等場合,變化范圍則要大得多,有時甚至能夠達到20%~30%(274~299VAC)。


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二、輸入過壓時電源器件電壓應力分析


以圖2反激開關電源為例,分析當輸入電壓達305VAC時,根據電壓應力情況如何選擇合適的元器件。


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1. 保險絲F1額定電壓選擇


保險絲的電壓額定值必須大于或者等于斷開電路的最大電壓。由于保險絲的阻值非常低,只有當保險絲試圖熔斷時,保險絲的電壓額定值才變得重要。當熔絲元件熔化后,保險絲必須能迅速斷開,熄滅電弧,并且阻止開路電壓通過斷開的熔絲元件再次觸發電弧。


保險絲常見規格有125V、250V、300V、400V,在應對輸入電壓波動較大的情況下,選擇300V的保險絲。


2. 壓敏電阻RV1額定電壓選擇


在實際應用中,壓敏電阻RV1一般并聯在電路中,當電路正常工作時,它處于高阻狀態,不影響電路正常工作。當電路出現異常瞬時過電壓 并達到其導通電壓(壓敏電壓)時,壓敏電阻迅速由高阻狀態變為低阻狀態,泄放由異常瞬時過電壓導致的瞬時過電流,同時把異常瞬態過壓鉗制在一個安全水平之內,從而保護后級電路免遭異常瞬時過電壓的損壞。


常見的壓敏規格如下表:


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壓敏電阻電壓值要大于實際電路中的電壓峰值,即連續施加在壓敏電阻兩端的電源電壓,要小于壓敏電阻規格書中的“最大連續工作電壓值”,如上表,300VAC和385VDC顯然不滿足長時間305VAC工作,為了防止壓敏損壞,在應對輸入電壓波動較大的情況下,需選擇561的壓敏電阻。


3. X電容CX1額定電壓選擇


X2安規電容的額定電壓的一般有:275V / 305V / 310V,它們其實是通用的。出現這樣的情況,主要是不同國家,不同安規認證要求的額定電壓不一樣導致的。CQC認證要求的額定電壓是310VAC,其它國家要求為:275V、305VAC、310VAC。在應對輸入電壓波動較大的情況下,選擇310V的X電容。


4. 橋堆BD1額定電壓選擇


在Vin=264VAC時,橋堆二極管最大應力為Vmax1=264×1.414=373V;

在Vin=305VAC時,橋堆二極管最大應力為Vmax2=305×1.414=431V。


由于開關電源需要做雷擊浪涌試驗,所以一般整流橋都選擇600V以上的整流橋,為了滿足更嚴苛的雷擊環境,可以選擇1000V的整流橋。


5. 電解電容C1額定電壓選擇


在Vin=264VAC時,電解電容最大應力為Vcmax1=264×1.414=373V;

在Vin=305VAC時,電解電容最大應力為Vcmax2=305×1.414=431V。


在應對輸入電壓波動較大的情況下,應選擇450V的電解電容。


6. MOS管Q1額定電壓選擇


MOS管電壓應力為


Vmos=VIN+VOR+VPK


其中 VIN 為輸入電壓,最高輸入電壓為431V, VOR 為反射電壓,一般為:60-120V,與原副邊匝比和輸出電壓成正相關,通過優化設計可以取80V或以下; VPK 為漏感產生的尖峰電壓,一般為:100V左右,通過優化漏感和吸收參數可以取80V或以下。


所以MOS管Q1的工作電壓應力為:431+120+100=651V,通過優化后MOS管Q1的工作電壓應力為:431+80+80=591V,所以考慮到雷擊或者305VAC輸入的情況下,為了保證MOS管可靠的工作,至少得選取700V以上的MOS管,但也可以通過優化變壓器匝比和漏感,選取650V的MOS管。


7. 二極管D1額定電壓選擇


二極管電壓應力為


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其中 VD-PK 為副邊漏感產生的尖峰電壓,由于受不同輸出電壓和吸收參數影響較大,一般計算


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假設輸出電壓 V0 =12V,二極管漏感尖峰 VD-PK =30V,MOS管漏感尖峰 VPK =80V,計算如下表:


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由表1可以看出,常規開關電源只考慮到 VIN =373V,MOS管和二極管應力取值都會偏小,不能適用于  VIN =431V的情況,一旦輸入電壓超過373V,則有損壞的風險。


綜上所述,以輸出電壓12V為例,考慮到雷擊或者305VAC輸入的情況下,為了保證二極管可靠的工作,至少得選150V以上的二極管,但也可以通過優化變壓器匝比和漏感,選取100V的二極管。


三、輸入過壓防護要求


根據第二章節的計算,可知應對輸入過壓的工況,最好的辦法就是優化元器件的電壓應力,如


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同時還可以通過加大電源內部電氣間隙和爬電距離來保持高壓線之間的安全距離,不會因為距離不足產生拉弧損壞樣機或危害人身安全。


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四、總結


本文說明了輸入過壓時會損壞電源和對人身造成危害,通過電源器件電壓應力分析,確定開關電源關鍵元器件電壓應力的選型依據,同時指出了可以通過優化元器件的電壓應力和加大電源內部電氣間隙和爬電距離來進行防護。


通過對比主流電源與“305工況”電源的元器件額定電壓、電氣間隙和爬電距離,推薦金升陽305全工況AC/DC電源,可有效的針對輸入過壓情況進行防護。同時還能應用在工作溫濕度、海拔、電磁干擾等方面有更高要求的惡劣環境和特殊環境。



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