當開關(guān)電源輸入過壓，如何防護？

摘要：本文通過開關(guān)電源在輸入電壓過壓異常時電源的可能失效現(xiàn)象，分析輸入過壓時對電源元器件的應力影響、以及過壓時元器件的失效機理。針對在輸入過壓時電源可能存在的失效原因，給出解決方案，以便提升電源的抗輸入過壓能力，提升電源的可靠性，從而提升整機設(shè)備的可靠性，降低輸入電壓波動對電源和設(shè)備的失效影響。

關(guān)鍵字：開關(guān)電源、輸入過壓、電網(wǎng)波動、失效機理、提高可靠性

一、輸入電壓過壓原因

工控設(shè)備工作在戶外或是有電動機等大型廠房的應用場合時，設(shè)備中的開關(guān)電源在工作一段時間后突然就無輸出，拆開電源外殼查看內(nèi)部元器件，發(fā)現(xiàn)電源輸入端的壓敏電阻炸裂或是大電解電容炸裂，甚至電源中的主功率MOS管也炸裂失效，元器件失效現(xiàn)象如下圖所示。

以上電源中元器件的失效原因往往是輸入端存在過高的電壓，或是輸入電壓中有疊加很高的電壓尖峰，導致電源的輸入電壓超過元器件的最大承受電壓而失效。

以上兩種情況，一旦輸入電壓波動過大，超過電源中元器件承受的最大電壓應力，元器件就會失效，導致電源失效。

1.1 輸入電網(wǎng)電壓波動

輸入電網(wǎng)電壓波動會導致輸入電壓過壓，主要是電網(wǎng)中的負載出現(xiàn)較大波動導致。例如在用電高峰時期電網(wǎng)電壓往往偏低；在一些有大型電動機或是感性負載的廠房場合，當負載停機或是開機時，往往都會急劇抬高或拉低電網(wǎng)的電壓，導致電網(wǎng)波動。國家標準對電網(wǎng)電壓波動等級有如下規(guī)定：

電網(wǎng)電壓幅值實際變化范圍隨電網(wǎng)容量的大小、輸配電設(shè)備質(zhì)量的好壞、用電量的大小、電網(wǎng)后端負載、實際應用環(huán)境等條件不同而產(chǎn)生很大的差別。在供電較好的城市和工業(yè)區(qū)，電網(wǎng)電壓變化范圍通常只有±10%（電網(wǎng)額定電壓220VAC，波動上限為264VAC）左右。因此開關(guān)電源的輸入電壓最大值一般都是設(shè)計為264VAC。一旦電網(wǎng)電壓超過264VAC，開關(guān)電源有可能會損壞，嚴重時甚至會造成設(shè)備跳閘、著火，對人員和財產(chǎn)造成威脅。

在供電條件較差的農(nóng)村和邊遠地區(qū)、或者電網(wǎng)存在負載變化很大的應用場景：如山區(qū)、公路隧道，發(fā)電機等電網(wǎng)供電場合，電壓變化范圍可能要大得多，有時甚至能夠達到20%~30%（274~299VAC）。此時電網(wǎng)輸入電壓已經(jīng)超過電源的最高輸入電壓264VAC，因此電源存在很高的失效風險，導致設(shè)備停電失效。惡劣工況下的電網(wǎng)電壓波形如下圖所示。

1.2 電網(wǎng)中存在感應高壓電壓尖峰

當用電設(shè)備在戶外場合時，在雷雨天氣打雷時，電網(wǎng)中有時會感應到雷電高壓尖峰電壓，導致電網(wǎng)輸入電壓存在一個較高的電壓尖峰，此尖峰電壓會疊加到220VAC輸入電壓中，導致尖峰電壓隨之進入電源內(nèi)部，電源內(nèi)部的元器件過壓損壞。最惡劣的情況是雷電直接擊中電網(wǎng)電線，導致電網(wǎng)電壓瞬間上升到電源和設(shè)備無法承受的值，電源直接損壞。如下圖所示，當感應電壓進入到電源內(nèi)部時，輸入大電解電容兩端會產(chǎn)生一個很高的浪涌尖峰電壓。此尖峰電壓會導致大電容過壓失效。

二、輸入過壓時電源的元器件電壓應力分析

全球通用的電網(wǎng)電壓主要有110VAC和220VAC兩種，按照電網(wǎng)電壓正常波動±10%設(shè)計開關(guān)電源的輸入電壓范圍，因此開關(guān)電源的輸入電壓范圍基本都是85~264VAC，以便適應全球通用電壓范圍應用。開關(guān)電源常用的原理拓撲主要有反激、正激和LLC三種，我們以最常用的反激拓撲原理為例分析電源中的元器件在輸入過壓時的應力。分析當電網(wǎng)電壓過壓到305VAC時，開關(guān)電源中的元器件根據(jù)電壓應力情況如何選擇合適的參數(shù)，以便電源在安全可靠的條件下正常工作。

2.1 保險絲F1額定電壓選擇

保險絲在正常工作時，其阻值是非常低，相當于一根導線。只有當流過的電流過大時，超過保險絲的熔斷電流后，保險絲才會熔斷，此時保險絲的額定電壓值才變得重要。當保險絲內(nèi)部的熔絲熔斷后，保險絲必須快速的斷開，并且斷開后兩端不能有拉弧現(xiàn)象發(fā)生，從而形成開路情況保護后端電路。在保險絲斷開后，兩端承受的電壓不能讓斷開的熔絲再次發(fā)生拉弧而導電。因此保險絲的額定電壓指的是熔斷后其兩端能夠承受的最高電壓，在此電壓下，熔斷的保險絲不能被擊穿拉弧而導電。

保險絲常見的額定電壓規(guī)格有125V、250V、300V、400V等，對于輸入電壓最高為264VAC的開關(guān)電源，在輸入電壓波動較大的情況下，選擇300VAC額定電壓值的保險絲就可(還要考慮成本)。因此在輸入電壓波動到305VAC時，開關(guān)電源中選擇300VAC規(guī)格額定電壓值的保險絲，可以提高電源的可靠性，降低電壓波動對電源的影響。

2.2 壓敏電阻RV1額定電壓選擇

壓敏電阻的作用：在實際電路應用中，壓敏電阻RV1是并聯(lián)在輸入端L和N線之間。當電路正常工作時，它處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常工作；但是當電路出現(xiàn)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(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，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(tài)過電壓鉗位在一個安全水平之內(nèi)，從而保護后級電路免遭異常瞬時過電壓的損壞，達到防止輸入電壓瞬時過壓損壞電源的作用。

常見的壓敏規(guī)格如下表：

壓敏電阻的額定壓敏電壓值要大于實際電路中的穩(wěn)態(tài)工作輸入電壓值，即連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的輸入電壓值要小于壓敏電阻規(guī)格書中的“最大連續(xù)工作電壓值”。如上表，300V AC和385V DC的壓敏顯然不滿足長時間工作在305VAC輸入電壓條件下。為防止壓敏電阻損壞，同時為了防護輸入電壓存在電壓尖峰波動導致電源失效，輸入處的壓敏電阻需要選擇561規(guī)格型號，提高電源的抗輸入電壓波動能力和抗輸入尖峰電壓能力，從而提高電源的可靠性和設(shè)備的可靠性。

2.3 X電容CX1額定電壓選擇

X安規(guī)電容主要是跨接在輸入L和N線之間，其額定電壓一般有：275V / 305V / 310VAC等。出現(xiàn)這樣的情況，主要是不同國家的安規(guī)認證標準不一樣、不同安規(guī)認證要求的額定電壓不一樣導致。CQC認證要求的額定電壓是310V AC，其它國家要求為：275V、305V AC、310V AC。為提高電源的可靠性，在對應輸入電壓波動比較大的應用場合，選擇額定電壓值為310VAC的X安規(guī)電容，可以提高電源的抗輸入過壓能力，提高電源的可靠性。

2.4 整流橋BD1額定電壓選擇

整流橋的作用是把交流電壓整流成脈動的直流電壓，因此其額定電壓值的選取是由輸入電壓值決定的。

因此整流橋可以選用600V額定電壓規(guī)格的元器件，但是在實際應用中，由于開關(guān)電源的輸入電壓存在一定的波動，實際的輸入電壓值有時會超過電源的最大工作電壓值；同時開關(guān)電源還需要滿足EMC性能實驗，特別是雷擊浪涌和脈沖群實驗，都是在輸入電壓基礎(chǔ)上疊加電壓尖峰。因此為了提高電源的可靠性，整流橋一般都是選用規(guī)格值為1000V的元器件。

2.5 輸入大電解電容C1額定電壓選擇

因此為了應對輸入電壓存在較大波動情況下，電容還留有一定的電壓裕量，大電解電容的額定電壓值應該選用450VDC規(guī)格的電解電容（如果選擇更高的耐壓值，成本和體積都會大大增加）。

2.6 MOS管Q1額定電壓選擇

在反激拓撲原理中，MOS管的電壓應力計算如下所示：

因此考慮到輸入電壓在305VAC基礎(chǔ)上存在一定的波動而輸入電壓過壓，選用規(guī)格為650V的MOS管在電路中工作，MOS管的應力還有一定的裕量，并且MOS管的電壓應力可以通過進一步調(diào)整變壓器和電路參數(shù)進行優(yōu)化降低。

因此當輸入電壓在305VAC穩(wěn)態(tài)工作時，即使電網(wǎng)電壓存在一定的波動，選用650V的MOS管，也是有一定的電壓應力裕量，可以提高電源在輸入過壓下的可靠性。當然MOS管的規(guī)格參數(shù)可以選用更高的電壓值，但是成本也會上升。

2.7 二極管D1額定電壓選擇

因此輸入電壓、變壓器的原次邊匝比n不同，MOS管和二極管的電壓應力值如下表所示：

由上表可知，若開關(guān)電源的輸入電壓只考慮到

=373VDC（此時交流輸入電壓值為264VAC），MOS管和二極管的電壓應力規(guī)格取值都會偏小。此時開關(guān)電源不能適用于

=431VDC（交流輸入電壓305VAC）的情況。因此對于輸入電壓范圍為85-264VAC的開關(guān)電源而言，一旦輸入電壓波動超過264VAC的最高額定工作電壓時，電源就會有輸入過壓損壞的風險。

綜上所述，以開關(guān)電源的輸出電壓12V為例，考慮到305VAC輸入電壓波動的情況、或是存在雷擊浪涌尖峰電壓情況下，為保證二極管可靠工作，二極管選取規(guī)格參數(shù)150VDC為宜。當然也可以通過調(diào)整優(yōu)化變壓器的匝比、漏感和二極管的吸收電路參數(shù)等，降低二極管的電壓應力，選取100V規(guī)格的二極管。只是二極管的電壓應力裕量會比較小。

三、輸入過壓防護要求和解決方案

根據(jù)上面的分析可知，開關(guān)電源的輸入過壓主要有兩個原因：1、輸入電網(wǎng)電壓波動，輸入電壓超過開關(guān)電源的最高工作電壓；2、輸入電壓中存在尖峰電壓；

3.1 輸入電網(wǎng)電壓波動的輸入過壓防護方案

針對輸入電網(wǎng)波動時開關(guān)電源的防護方案，根據(jù)本文第二章對電源中各個元器件的電壓應力計算可知，為了解決輸入電壓過壓導致開關(guān)電源的損壞，最好的辦法就是優(yōu)化元器件的電壓應力，選用更高規(guī)格參數(shù)的元器件。以下表格中是最高輸入電壓為264VAC和電壓波動到305VAC時的元器件選取規(guī)格參數(shù)。

同時，輸入電壓波動到更高的電壓后，電源內(nèi)部的任意兩點之間的絕緣電壓也會隨之升高，為了加強電源內(nèi)部的絕緣性能，增加可靠性?？梢酝ㄟ^加大電源內(nèi)部走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離來保持高壓導線之間的安全距離，這樣就不會因為安全距離不夠而產(chǎn)生的拉弧、放點現(xiàn)象，導致電源損壞或是危害人身安全。

因此根據(jù)以上分析，對于輸入電網(wǎng)電壓波動導致的輸入過壓的防護方案，可以采取以下兩個措施：1、開關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件的規(guī)格選用更高等級的參數(shù)(當然需要兼顧可靠性和成本的平衡)；2、同時加大電源中的走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離；通過這兩個方案的結(jié)合，開關(guān)電源防護輸入過壓的能力會大大提高，增加開關(guān)電源抗輸入電網(wǎng)電壓波動導致的輸入過壓損壞的風險。

3.2 輸入電網(wǎng)中存在高壓尖峰電壓的輸入過壓防護方案

對于輸入電網(wǎng)電壓波動的輸入過壓，此過電壓維持的時間比較長，是一個穩(wěn)態(tài)過程，因此需要通過3.1節(jié)中的方案進行防護。對于電網(wǎng)輸入電壓中存在瞬間的高壓尖峰電壓的輸入過壓防護，由于此尖峰電壓持續(xù)的時間非常短，一般為毫秒甚至是微秒級別。此高壓尖峰電壓的特點是：尖峰電壓高，持續(xù)時間短，尖峰電壓的能量并不大。根據(jù)此尖峰電壓的特點，可以通過壓敏電阻進行鉗位防護，或是在開關(guān)電源的輸入端增加一個濾波器，防護效果更好。

在實際的開關(guān)電源應用場合中，輸入電網(wǎng)電壓波動和高壓尖峰電壓可能會同時存在，因此為了防護此更加惡劣的工作條件下的開關(guān)電源，可以結(jié)合以上兩種解決方案，以便增強開關(guān)電源的應用可靠性，提升設(shè)備的抗輸入過壓能力。

四、總結(jié)

本文通過在實際應用開關(guān)電源的過程中遇到的開關(guān)電源輸入過壓失效現(xiàn)象，對開關(guān)電源由于輸入過壓導致失效的原因分析，從理論計算給出開關(guān)電源中關(guān)鍵元器件的電壓應力分析，確定開關(guān)電源中關(guān)鍵元器   件的電壓應力選型依據(jù)和選型規(guī)格，同時通過優(yōu)化電源中的走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離增加電源的抗輸入過壓能力。針對開關(guān)電源的輸入過壓兩種可能情況（輸入電網(wǎng)電壓波動和輸入電壓中存在高壓尖峰電壓），分別給出解決方案。如果在實際應用過程中，此兩種解決方案同時應用，可以大大增加開關(guān)電源的抗輸入過壓能力，提升開關(guān)電源的應用可靠性和設(shè)備的運行可靠性。

針對抗輸入過壓的電源產(chǎn)品，旭之源科技有相應的電源產(chǎn)品方案：升級版AM-V2系列和半灌膠AMF-UH系列，這兩個系列的開關(guān)電源可以很好的解決輸入過壓導致電源失效的問題。另外也能通過搭配濾波器，進一步增強開關(guān)電源的抗輸入過壓時的風險，提升開關(guān)電源和設(shè)備的工作可靠性。