開關(guān)電源輸入端繼電器觸點(diǎn)短路失效分析

開關(guān)電源產(chǎn)品有一個(gè)重要的性能指標(biāo)為輸入沖擊電流，該指標(biāo)通常要往小的方向設(shè)計(jì)，常規(guī)設(shè)計(jì)是在開關(guān)電源輸入端的火線上串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻（NTC）,而對(duì)于功率較大的開關(guān)電源則同時(shí)在熱敏電阻（NTC）上并一個(gè)繼電器，用于產(chǎn)品穩(wěn)定工作時(shí)減少器件損耗和提高可靠性。本文重點(diǎn)分析并入繼電器后發(fā)生觸點(diǎn)短路失效的原因，通過(guò)原理、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、驗(yàn)證及繼電器材料方面，詳細(xì)解析繼電器在電路設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題點(diǎn)，為繼電器在開關(guān)電源產(chǎn)品上的設(shè)計(jì)提供參考。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，把圖1的PFC電路設(shè)計(jì)到產(chǎn)品上，測(cè)試發(fā)現(xiàn)沖擊電流超標(biāo)（設(shè)計(jì)目標(biāo)≤25A），到達(dá)70A。本方案中，熱敏電阻RT1的阻值為10Ω，理論上計(jì)算，按照輸入電壓為90VAC，即在相位90°或270°時(shí)，有最大的輸入峰值電壓為90*√2≈127V,輸入最大峰值電流（輸入沖擊電流）為Imax=127/10=12.7A，測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算完全偏離。

圖1 PFC電路

結(jié)合圖1分析，影響輸入沖擊電流的器件主要是熱敏電阻RT1和繼電器K1，有以下4種組合情況：①熱敏電阻開路和繼電器未吸合，此時(shí)輸入屬于開路狀態(tài)，產(chǎn)品應(yīng)該無(wú)輸入；②熱敏電阻開路和繼電器吸合，輸入電流經(jīng)過(guò)繼電器直接給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，輸入沖擊電流大；③熱敏電阻正常和繼電器未吸合，輸入電流經(jīng)過(guò)熱敏電阻給到后端電路，輸入沖擊電流受抑制而減少；④熱敏電阻正常和繼電器吸合，輸入電流主要經(jīng)繼電器給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，輸入沖擊電流大；對(duì)熱敏電阻和繼電器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為熱敏電阻阻值正常，繼電器在沒有供電的情況下常開點(diǎn)處于吸合狀態(tài)，也就是繼電器為異常器件。更換新的繼電器后，測(cè)得的沖擊電流僅為7.4A。之前產(chǎn)品測(cè)試沖擊電流超標(biāo)屬于第④種情況，輸入電流主要經(jīng)繼電器給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，導(dǎo)致輸入沖擊電流大。

電路圖1的工作原理為：繼電器K1并聯(lián)在輸入熱敏電阻RT1的兩端，由PFC電感L2的輔助繞組經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓后供電。當(dāng)開關(guān)電源上電啟動(dòng)后，因?yàn)槔^電器K1此時(shí)沒有供電電壓，繼電器K1處于開路狀態(tài)，輸入電流通過(guò)熱敏電阻RT1給大電解電容C8充電，從而限制了開機(jī)的輸入沖擊電流。當(dāng)功率管Q1接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，PFC電感L2輔助繞組電壓建立，即繼電器K1供電電壓建立。當(dāng)供電電壓達(dá)到9V左右時(shí)，繼電器開始工作，觸點(diǎn)閉合把熱敏電阻RT1短路，降低產(chǎn)品工作時(shí)的輸入線路阻抗，減少損耗，提高產(chǎn)品的效率。

對(duì)于繼電器未供電，常開點(diǎn)已經(jīng)吸合的情況，即繼電器觸點(diǎn)短路失效，一般存在以下三種可能，下面對(duì)以下三種可能原因一一進(jìn)行分析排查：

① 繼電器動(dòng)作頻率過(guò)高，使用次數(shù)已超過(guò)繼電器所能承受的開關(guān)次數(shù)；

② 繼電器所處環(huán)境溫度過(guò)高；

③ 繼電器流經(jīng)浪涌電流過(guò)大。

通過(guò)對(duì)圖1電路工作原理的分析和實(shí)際監(jiān)測(cè)繼電器K1觸點(diǎn)兩端電壓，繼電器K1僅在上電過(guò)程中動(dòng)作，正常工作后觸點(diǎn)不會(huì)再有開關(guān)動(dòng)作，因此繼電器K1的開關(guān)次數(shù)僅與人為輸入的開關(guān)次數(shù)有關(guān)。通過(guò)查閱繼電器的規(guī)格書可知，該繼電器的使用次數(shù)為1*104次，產(chǎn)品還在調(diào)試階段，不可能達(dá)到1*104次，所以不是使用次數(shù)超過(guò)壽命的原因?qū)е隆?/span>

圖2 繼電器觸點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電流波形

【黃色為輸入電壓，藍(lán)色為繼電器觸點(diǎn)電流】

通過(guò)實(shí)際測(cè)量，如圖2，該繼電器工作時(shí)觸點(diǎn)電流約3A，繼電器環(huán)境溫度為83℃。查閱本款應(yīng)用的繼電器規(guī)格書標(biāo)明環(huán)境耐溫參數(shù)為10A/85℃，通入電流7A時(shí)可用于105℃，對(duì)比實(shí)際使用的環(huán)境和電流，可以排除由于使用環(huán)境溫度過(guò)高的原因?qū)е隆?/span>

圖3 繼電器觸點(diǎn)導(dǎo)通波形

【黃色為輸入電壓，藍(lán)色為繼電器觸點(diǎn)電流】

繼電器K1后端負(fù)載為感性負(fù)載(L1、L2)及容性負(fù)載（C1、C2、C8），實(shí)測(cè)繼電器K1觸點(diǎn)電流，如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)繼電器K1觸點(diǎn)在導(dǎo)通后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了尖峰電流，最大尖峰Imax=39.4A。繼電器規(guī)格參數(shù)最大耐電流10A，而在調(diào)試產(chǎn)品時(shí)經(jīng)過(guò)多次開機(jī)產(chǎn)生的浪涌電流沖擊（39.4A）會(huì)使觸點(diǎn)處損傷進(jìn)而導(dǎo)致粘合失效。

通過(guò)排查，了解了繼電器觸點(diǎn)短路失效的原因是繼電器流經(jīng)浪涌電流過(guò)大，那么在圖1的電路中，是什么原因引起繼電器吸合中出現(xiàn)浪涌電流，對(duì)以下可能導(dǎo)致浪涌電流的器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析：

① 是否PFC電感L2飽和；

② 是否L1差模電感飽和；

③ 是否π型濾波電容C1太大；

④ 是否PFC限制鉗位電流太大。

監(jiān)測(cè)PFC電感L2啟機(jī)電流如圖4,此時(shí)PFC電感電流被削頂即PFC電流受到限制鉗位于13.1A，PFC電流波形良好，且B<0.32，實(shí)測(cè)通入13A電流時(shí)，電感感量為180uH（L2標(biāo)稱電感量為190uH）,PFC電感未飽和，見圖5。

圖4 監(jiān)測(cè)PFC電感L2啟機(jī)電流

圖5 PFC電感未飽和

圖6 飽和電流

L1差模電感參數(shù)為200uH/48Ts/0.7mm，實(shí)測(cè)其飽和電流如圖6，當(dāng)通入13.1A電流（PFC啟動(dòng)時(shí)被鉗位的電流）時(shí)感量只有為12.5uH,電感感量急劇下降，已經(jīng)出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。此時(shí)π型濾波的電感L1已無(wú)法對(duì)PFC啟動(dòng)過(guò)程中流過(guò)繼電器K1的電流進(jìn)行有效濾波。更換差模電感L1，選用飽和電流更大的差模電感（飽和電流約16A/200uH），測(cè)試其觸點(diǎn)電流，導(dǎo)通瞬態(tài)電流8A，導(dǎo)通后電流尖峰最大17.4A，觸點(diǎn)電流尖峰明顯減小，更換前如圖7和更換后如圖8。

圖7 更換前觸點(diǎn)電流

圖8 更換后觸點(diǎn)電流

【綠色為C8電容電壓，紅色為繼電器觸點(diǎn)電流】

C1為π型濾波電路的第一個(gè)電容，輸入電壓直接對(duì)C1進(jìn)行充電，會(huì)產(chǎn)生畸變脈沖充電電流。電容越大，畸變電流脈沖越大，從而導(dǎo)致繼電器的觸點(diǎn)電流峰值越大。在措施L1差模電感更換的基礎(chǔ)上減小C1容值由474/450V改為683/450V，測(cè)試?yán)^電器觸點(diǎn)電流，發(fā)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)電流最大8.6A，電流尖峰明顯進(jìn)一步減少（之前為17.4A），如圖9。

圖9 PFC升壓時(shí)電流電壓波形

【綠色為C8電容電壓，紅色為繼電器觸點(diǎn)電流】

PFC控制IC啟動(dòng)過(guò)程：大電解電容C8升壓過(guò)程中，PFC控制IC驅(qū)動(dòng)輸出的占空比會(huì)由0升至最大Ton max，如圖10。PFC電流逐漸達(dá)到PFC電流采樣限制從而被鉗位如圖4。PFC啟機(jī)鉗位電流與PFC電流采樣電阻有關(guān)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中PFC電流采樣電阻R=22mΩ，PFC鉗位電流約13.1A。增大R=40mΩ，鉗位電流減小，沖擊電流尖峰減小，同時(shí)也可增大L1在啟機(jī)時(shí)的感量,增大PFC π型濾波效果，如圖11，觸點(diǎn)電流尖峰最大9.6A。PFC電流采樣電阻直接和產(chǎn)品的過(guò)流能力有關(guān)，一般情況下，過(guò)流點(diǎn)設(shè)計(jì)好后，不建議改動(dòng)此電阻。

圖10 PFC啟動(dòng)

圖11 繼電器觸點(diǎn)電流波形

綜上所述，輸入端繼電器閉合后出現(xiàn)較大沖擊電流可總結(jié)如下：PFC電流采樣電阻小即過(guò)流點(diǎn)大，PFC開始工作時(shí)（升壓）輸入電流達(dá)到鉗位點(diǎn)的電流大；π型濾波的差模電感如果出現(xiàn)飽和的情況，會(huì)失去對(duì)電流的抑制作用；濾波電容C1電容值越大，畸變電流脈沖越大。

① 輸入端的π型濾波電路:選用飽和電流更大的差模電感，同時(shí)減小π型濾波第一個(gè)電容容值

② 增大PFC電流采樣電阻，減小PFC鉗位電流(這點(diǎn)要和產(chǎn)品需求的過(guò)流能力平衡)

除了從電路上對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，繼電器的選型也很關(guān)鍵，這里介紹下繼電器觸點(diǎn)材料不同在應(yīng)用上的差異。例宏發(fā)繼電器型號(hào)為HF46F-G系列,其規(guī)格書中給出繼電器觸點(diǎn)材質(zhì)分為兩種材料：AgSnO2和AgNi，即：HF46F-G/XXT（帶T）觸點(diǎn)材料為AgSnO2；HF46F-G/XX（不帶T）觸點(diǎn)材料為AgNi。該系列的規(guī)格書中對(duì)不同材料觸點(diǎn)的應(yīng)用也做了區(qū)分，如下：

① AgSnO2常用于容性負(fù)載、感性負(fù)載、馬達(dá)負(fù)載等會(huì)產(chǎn)生浪涌電流的應(yīng)用場(chǎng)合。

② AgNi常用于阻性負(fù)載，電流穩(wěn)定的場(chǎng)合。

那么，對(duì)于開關(guān)電源輸入端使用的繼電器應(yīng)用，后端實(shí)際負(fù)載一般都會(huì)有電感、電容等導(dǎo)致浪涌電流出現(xiàn)的器件，所以在選擇繼電器時(shí)就應(yīng)該使用觸點(diǎn)材料為AgSnO2的繼電器。

繼電器的失效一般有以下幾種：繼電器內(nèi)部多余物、觸點(diǎn)表面污物、工藝結(jié)構(gòu)不當(dāng)、觸點(diǎn)燒蝕，粘連、銀離子遷移、外部應(yīng)用導(dǎo)致簧片位移。

這些失效模式大部分是由于繼電器的生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)引起的，因此對(duì)于繼電器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，改善生產(chǎn)環(huán)境、完善質(zhì)量控制及檢驗(yàn)制度對(duì)于預(yù)防繼電器頻繁失效將會(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。此外，用戶必須依據(jù)實(shí)際使用要求，首先優(yōu)選使用類型，再審慎確定所需的功能特性與物理特性（包含環(huán)境適應(yīng)性要求、輸入、輸出參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、觸點(diǎn)壽命、體積、重量、安裝尺寸、安裝方式、密封性等），從而選用適合的繼電器，對(duì)應(yīng)避免使用過(guò)程中導(dǎo)致的失效也有重要意義。

開關(guān)電源實(shí)際工作過(guò)程中，即使繼電器觸點(diǎn)短路失效產(chǎn)品也可正常工作，因此在使用過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)。而一旦繼電器觸點(diǎn)短路失效，較大的輸入沖擊電流就會(huì)影響產(chǎn)品工作的可靠性，也可能因?yàn)檩^大的輸入沖擊電流導(dǎo)致前端供電系統(tǒng)的異常報(bào)警。預(yù)防這種情況出現(xiàn)的方案是設(shè)計(jì)前期把握好電路參數(shù)的選擇和選擇符合該電路特性使用的繼電器型號(hào)。

注：

熱敏電阻(NTC):熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。（NTC thermistor，即 Negative Temperature Coefficient thermistor 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,溫度越高，阻值越小）。

PFC:英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。