精讀干貨|如何有效防護開(kāi)關(guān)電源輸入過(guò)壓現象
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一、引言
輸入電壓過(guò)壓是電網(wǎng)負載出現了較大的波動(dòng)而引起的。例如在用電高峰時(shí)電壓往往偏低，有設備停機時(shí)電壓往往偏高。國家標準對電壓波動(dòng)等級有如下規定：
電網(wǎng)電壓幅值實(shí)際變化范圍隨電網(wǎng)容量的大小、輸配電設備質(zhì)量的好壞、用電量的大小等條件不同而產(chǎn)生很大的差別。在供電較好的城市和工業(yè)區，變化范圍通常只有±15%（264VAC）左右，超過(guò)264VAC電源有可能會(huì )損壞，嚴重時(shí)甚至會(huì )造成設備跳閘、著(zhù)火，對人員和財產(chǎn)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(wǎng)存在負載變化很大設備的場(chǎng)景，如山區、公路隧道，充電樁、發(fā)電機供電等場(chǎng)合，變化范圍則要大得多，有時(shí)甚至能夠達到20%~30%（274~299VAC）。
以圖2反激開(kāi)關(guān)電源為例，分析當輸入電壓達305VAC時(shí)，根據電壓應力情況如何選擇合適的元器件。
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(kāi)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(shí)，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(kāi)，熄滅電弧，并且阻止開(kāi)路電壓通過(guò)斷開(kāi)的熔絲元件再次觸發(fā)電弧。
保險絲常見(jiàn)規格有125V、250V、300V、400V，在應對輸入電壓波動(dòng)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(shí)際應用中，壓敏電阻RV1一般并聯(lián)在電路中，當電路正常工作時(shí)，它處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常工作。當電路出現異常瞬時(shí)過(guò)電壓 并達到其導通電壓（壓敏電壓）時(shí)，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(shí)過(guò)電壓導致的瞬時(shí)過(guò)電流，同時(shí)把異常瞬態(tài)過(guò)壓鉗制在一個(gè)安全水平之內，從而保護后級電路免遭異常瞬時(shí)過(guò)電壓的損壞。
常見(jiàn)的壓敏規格如下表：
壓敏電阻電壓值要大于實(shí)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(shū)中的“最大連續工作電壓值”，如上表，300VAC和385VDC顯然不滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間305VAC工作，為了防止壓敏損壞，在應對輸入電壓波動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，橋堆二極管最大應力為Vmax1=264×1.414=373V；
在Vin=305VAC時(shí)，橋堆二極管最大應力為Vmax2=305×1.414=431V。
由于開(kāi)關(guān)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(mǎn)足更嚴苛的雷擊環(huán)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(shí)，電解電容最大應力為Vcmax1=264×1.414=373V；
在Vin=305VAC時(shí)，電解電容最大應力為Vcmax2=305×1.414=431V。
在應對輸入電壓波動(dòng)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(guān)，通過(guò)優(yōu)化設計可以取80V或以下； VPK 為漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，一般為：100V左右，通過(guò)優(yōu)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(guò)優(yōu)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(guò)優(yōu)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
VD =VIN / n + V0 + VD-PK
其中 VD-PK 為副邊漏感產(chǎn)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
VD ={VIN / n + V0 } × 1.5
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：
由表1可以看出，常規開(kāi)關(guān)電源只考慮到 VIN =373V，MOS管和二極管應力取值都會(huì )偏小，不能適用于 VIN =431V的情況，一旦輸入電壓超過(guò)373V，則有損壞的風(fēng)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(guò)優(yōu)化變壓器匝比和漏感，選取100V的二極管。
根據第二章節的計算，可知應對輸入過(guò)壓的工況，最好的辦法就是優(yōu)化元器件的電壓應力，如
同時(shí)還可以通過(guò)加大電源內部電氣間隙和爬電距離來(lái)保持高壓線(xiàn)之間的安全距離，不會(huì )因為距離不足產(chǎn)生拉弧損壞樣機或危害人身安全。
四、總結
本文說(shuō)明了輸入過(guò)壓時(shí)會(huì )損壞電源和對人身造成危害，通過(guò)電源器件電壓應力分析，確定開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵元器件電壓應力的選型依據，同時(shí)指出了可以通過(guò)優(yōu)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(lái)進(jìn)行防護。
通過(guò)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(yáng)305全工況AC/DC電源，可有效的針對輸入過(guò)壓情況進(jìn)行防護。同時(shí)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(huán)境和特殊環(huán)境。
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