精讀干貨 | 開(kāi)關(guān)電源的輸出端反灌電壓產(chǎn)生與防護

摘要：本文簡(jiǎn)述了設備中負載系統或是其他原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開(kāi)關(guān)電源的危害，分析了輸出倒灌電壓對開(kāi)關(guān)電源中元器件的應力影響。針對不同原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開(kāi)關(guān)電源的影響，給出不同的防護方案，使得開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品即使存在倒灌電壓的情況下，電源和系統仍然可靠工作。

關(guān)鍵字：開(kāi)關(guān)電源；過(guò)壓保護；倒灌電壓；防護措施

一、輸出過(guò)壓保護功能和倒灌電壓差異點(diǎn)說(shuō)明

為提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性，開(kāi)關(guān)電源會(huì )設計輸出過(guò)壓保護功能，防止產(chǎn)品內部的某個(gè)元器件損壞后，導致輸出電壓升高。而電源后端的負載只能承受一定的電壓大小，一旦輸出電壓升高，會(huì )損壞電源后端的負載。為防止此問(wèn)題發(fā)生，開(kāi)關(guān)電源都會(huì )設計輸出過(guò)壓保護電路，從而提升系統可靠性工作。

開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓過(guò)壓保護功能原理如下：

根據上圖1原理圖所示：輸出電壓Vo的計算公式如下所示：電阻R1、R2是已知參數，V_ref =2.5V

在電路中，一旦下拉電阻R2短路，根據計算公式知，Vo電壓會(huì )變?yōu)闊o(wú)窮大，一旦輸出電壓升高到一定值后，則會(huì )損壞電源的負載，導致系統燒壞。為防止此問(wèn)題發(fā)生，在電路中增加輸出過(guò)壓保護電路。如圖2所示是輸出過(guò)壓保護電路的原理簡(jiǎn)圖之一，其工作原理如下：一旦下拉電阻R2短路，輸出電壓往上升高，一旦輸出電壓升高到穩壓二極管ZD1的擊穿電壓后，穩壓二極管工作，把輸出電壓鉗位在穩壓二極管的擊穿電壓值，防止輸出電壓繼續上升到無(wú)窮大，此時(shí)輸出電壓值被穩壓二極管鉗位在擊穿電壓值大小，不會(huì )再上升。穩壓二極管ZD1的規格參數值選型一般選取大于輸出電壓值2-3V即可。

圖2的過(guò)壓保護電路適用于輸出功率小于75W以下的小功率電源產(chǎn)品中，對于大功率電源產(chǎn)品，輸出過(guò)壓保護電路的設計是控制原邊IC的工作，實(shí)現輸出過(guò)壓保護。當產(chǎn)品過(guò)壓保護時(shí)，輸出電壓呈現打嗝輸出模式或是直接關(guān)斷輸出電壓，防止輸出功率過(guò)高損壞后級負載系統。由于電路比較復雜，在此不做原理說(shuō)明。

以上主要介紹開(kāi)關(guān)電源的輸出過(guò)壓保護電路的工作原理和作用。部分客戶(hù)在使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)，負載端存在輸出電壓倒灌現象，損壞開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品或是導致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品無(wú)法正常工作?？蛻?hù)在此情況下就會(huì )有疑問(wèn)：為啥開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品自身有輸出過(guò)壓保護功能，產(chǎn)品還是會(huì )損壞？

在此需要特別指出：開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓保護功能和電源防倒灌電壓功能是兩種不同的情況，不能混為一談。開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓保護功能是電源向外的保護功能，防止外部負載系統損壞；而開(kāi)關(guān)電源的防倒灌能力是指外部電壓對開(kāi)關(guān)電源的影響力，避免產(chǎn)品的輸出端存在倒灌電壓時(shí)損壞開(kāi)關(guān)電源，在此需要特別區分這兩種情況。以下圖3和圖4可以很好說(shuō)明這兩種情況的差異點(diǎn)：

二、輸出端反灌電壓產(chǎn)生的原因和防護解決對策

在開(kāi)關(guān)電源中，根據倒灌電壓產(chǎn)生的機理，輸出端存在反灌電壓的原因有如下幾種情況：

1、系統在不同的輸出電壓之間切換時(shí)會(huì )存在高壓電壓倒灌到低壓電源中，此問(wèn)題在直流充電樁設備中比較常見(jiàn)；

2、開(kāi)關(guān)電源的負載是感性負載，負載工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，感應電動(dòng)勢生成的電壓倒灌到開(kāi)關(guān)電源的輸出端；

3、在水電解氫氣和氧氣的設備中，也存在開(kāi)關(guān)電源的輸出端有倒灌電壓現象。

下面以這三種情況的倒灌電壓為例，給出開(kāi)關(guān)電源在此情況下的危害和解決方案。

例一：開(kāi)關(guān)電源在直流充電樁中的應用的輸出端防倒灌電壓解決方案：

市場(chǎng)對新能源汽車(chē)電池充電和BMS配電系統有較高的要求。為給不同類(lèi)型的汽車(chē)充電，要求直流充電樁中的輔助電源具有12V和24V兩種電壓值。大巴車(chē)充電系統的輔助電壓源供電采用24V供電，而小汽車(chē)充電系統的輔助電壓源供電電壓采用12V電壓值。直流充電樁和充電槍?xiě)梅桨缚驁D如下圖5和圖6所示。

在實(shí)際應用中，當12V和24V供電系統的電壓在切換時(shí)，存在把24V電壓倒灌到12V的開(kāi)關(guān)電源輸出端，導致12V的開(kāi)關(guān)電源損壞。

在電源設計時(shí)，輸出電壓為12V的開(kāi)關(guān)電源的輸出端濾波電解電容耐壓值一般選取16V的規格值，一旦24V電壓倒灌到電源的輸出端，相當于把24V電壓加到16V電解電容兩端，電解電容會(huì )因為過(guò)壓損壞，導致12V的開(kāi)關(guān)電源失效。

針對以上當電壓切換時(shí)導致輸出端有倒灌電壓的問(wèn)題，金升陽(yáng)有對應的電源解決方案。

針對直流充電樁設備，我司有分立式方案和集中式方案兩種解決方案：針對分立式應用方案(兩只開(kāi)關(guān)電源，一只輸出12V，一只輸出24V)，把輸出電壓為12V的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中的輸出濾波電解電容規格值選用35V。即使在輸出端倒灌24V電壓值，電解電容也在耐壓規格值內，不存在電解電容過(guò)壓損壞，從而解決因充電槍誤操作導致電源損壞的問(wèn)題，直流充電樁中防倒灌電壓的開(kāi)關(guān)電源具體型號有：LM150-20B12-BSB、LM150-20B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。

對于集中式應用方案(把12V和24V兩種輸出電壓集成在一個(gè)電源產(chǎn)品中，通過(guò)開(kāi)關(guān)檔位選擇輸出電壓)：輸出端的電解電容是共用電解電容，因此輸出端的濾波電解電容耐壓值選取為63V的規格值，即使輸出端存在60VDC的倒灌電壓，也不會(huì )損壞輸出濾波電解電容，保證濾波電解電容可靠工作，從而保證輸出端存在倒灌電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)電源也不會(huì )損壞。對于直流充電樁設備中集中式供電的開(kāi)關(guān)電源應用方案，金升陽(yáng)具體型號為：LM150-12M1224-Q。

例二：開(kāi)關(guān)電源在帶感性負載時(shí)輸出端防倒灌電壓解決方案：

開(kāi)關(guān)電源的負載是電機、線(xiàn)圈等感性負載時(shí)，在電源上電一瞬間時(shí)，輸出電壓/電流加載到感性負載上，根據電磁感應定律：V = L x di/dt，

會(huì )在負載兩端生成感應電壓。感應電壓會(huì )倒灌到開(kāi)關(guān)電源的輸出端。當生成的感應電壓大于開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓保護電壓，感應電壓可能會(huì )觸發(fā)產(chǎn)品的過(guò)壓保護功能，導致產(chǎn)品輸出電壓關(guān)斷或打嗝，輸出電壓不能正常建立。

由于此感應電壓只在電源開(kāi)機瞬間產(chǎn)生，倒灌電壓加載到電源輸出端的時(shí)間較短。感應電壓比較大，而電流較小，因此倒灌的功率較小。對于此問(wèn)題的解決方案，可以在開(kāi)關(guān)電源的輸出端和負載之間接入一個(gè)防倒灌電壓二極管，利用二極管的單相導通特性，可以有效的防止感應電壓倒灌到開(kāi)關(guān)電源的輸出端。

防電壓倒灌二極管的規格選取參數如下：

1、電壓規格值要大于感應電壓值，防止倒灌電壓損壞接入的二極管；

2、由于開(kāi)關(guān)電源在正常工作時(shí)，輸出電流是通過(guò)二極管流入到負載。電流流過(guò)時(shí)，二極管會(huì )因導通壓降產(chǎn)生功率損耗，使得二極管發(fā)熱。為防止二極管發(fā)熱嚴重損壞，一般二極管的電流規格選取電源額定輸出電流的(5-10)Io，并且可以在二極管上增加散熱片，以降低二極管工作時(shí)的溫升。

系統正常工作時(shí)，防倒灌二極管的功率損耗大小如下公式：

開(kāi)關(guān)電源和負載連線(xiàn)之間接入防倒灌電壓的二極管解決方案框圖如下所示：

D1是防電壓倒灌二極管，紅色箭頭是電源電流正常工作的流向，綠色箭頭是倒灌電壓/電流的流向。利用二極管D1的單向導通特性，阻斷倒灌電壓/電流流向電源的輸出端。

在圖7中，若是開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)的輸出電流比較大，導致二極管的溫升較高，可以對二極管進(jìn)行并聯(lián)使用，降低流過(guò)每個(gè)二極管的電流大小，從而減小二極管工作時(shí)的溫升，提高系統的可靠性。當然上圖中的D1也可以使用MOS管進(jìn)行防止倒灌電壓，只是電路較為復雜。

例三：開(kāi)關(guān)電源在水電解氫氣和氧氣的設備中輸出端防倒灌電壓解決方案：

在工業(yè)領(lǐng)域或醫療輔助等行業(yè)，需要使用到氧氣或氫氣情況，部分客戶(hù)對于氧氣和氫氣的生產(chǎn)采用水電解實(shí)現。但是水電解完成后，氧氣和氫氣會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，在生成水的同時(shí)對外放電，此放電電壓會(huì )倒灌到系統前端的開(kāi)關(guān)電源輸出端，導致開(kāi)關(guān)電源存在倒灌電壓/電流，影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作。

案例三和案例二有所不同：在案例二中，倒灌電壓的存在時(shí)間只是在系統上電瞬間，系統正常工作后，不會(huì )再有倒灌電壓存在；而在案例三中，氧氣和氫氣會(huì )一直存在反應，生成倒灌電壓，因此倒灌電壓會(huì )持續加載到開(kāi)關(guān)電源的輸出端口。對于此問(wèn)題，也可以采用案例二的解決方案，只是需要在電源外加比較多的二極管，同時(shí)對于輸出電流比較大的開(kāi)關(guān)電源和負載系統，二極管的功率損耗和溫升也是一個(gè)問(wèn)題。導致方案二的效率比較低，并不適用于大功率輸出的開(kāi)關(guān)電源系統。

對于輸出功率比較大的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，輸出端防倒灌電壓的方案可以采用我司現有產(chǎn)品：LIR-20。

此產(chǎn)品和方案二的防倒灌電壓原理一樣，也是利用二極管的單相導電特性。和方案二相比，方案三已經(jīng)實(shí)現產(chǎn)品化，并且可以用于更大功率的系統中。LIR-20除了可以實(shí)現開(kāi)關(guān)電源的防倒灌電壓功能，還可以用于并聯(lián)冗余系統設計，提高系統的可靠性。三、總結

本文說(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源輸出端在接入不同的負載時(shí)，由于負載特性，系統在工作時(shí)，負載可能會(huì )產(chǎn)生電壓，此電壓倒灌到開(kāi)關(guān)電源的輸出端，影響電源和系統正常工作，甚至會(huì )損壞開(kāi)關(guān)電源。本文根據開(kāi)關(guān)電源在實(shí)際應用過(guò)程中的三個(gè)案例，通過(guò)對倒灌電壓產(chǎn)生的機理分析，給出不同的防倒灌電壓解決方案。

由于開(kāi)關(guān)電源在各行各業(yè)廣泛應用，輸出端的倒灌電壓產(chǎn)生機理可能有所差異，但解決方案原理基本相似：在開(kāi)關(guān)電源的輸出端和負載之間增加防倒灌二極管，利用二極管的單向導通特性，解決倒灌電壓影響開(kāi)關(guān)電源和系統工作問(wèn)題。

詳細產(chǎn)品技術(shù)參數請參考技術(shù)手冊：