【導(dǎo)讀】輸入過壓是由電網(wǎng)負(fù)載的巨大波動(dòng)引起的。例如,在用電高峰期,電壓通常較低,而在設(shè)備關(guān)閉時(shí),電壓則較高。
輸入過壓是由電網(wǎng)負(fù)載的巨大波動(dòng)引起的。例如,在用電高峰期,電壓通常較低,而在設(shè)備關(guān)閉時(shí),電壓則較高。
電網(wǎng)電壓幅值的實(shí)際變化范圍隨著電網(wǎng)容量、輸配電設(shè)備質(zhì)量、用電量以及其他因素的變化而變化很大。在擁有完善電源系統(tǒng)的城市和工業(yè)區(qū)里,變化范圍通常只有 ±15% 左右(最大值不超過 264 VAC)。如果確實(shí)超過 264 VAC,電源可能會(huì)損壞,甚至導(dǎo)致設(shè)備跳閘和/或引發(fā)火災(zāi),對(duì)安全和財(cái)產(chǎn)造成威脅。
但是,在供電條件差的國家和地區(qū),或者電網(wǎng)中存在負(fù)載變化大的設(shè)備的場合,如山區(qū)、高速公路隧道、充電站、發(fā)電機(jī)供電等,變化范圍就大得多。有時(shí)變化范圍可以達(dá)到 20%~30%(最大值可以達(dá)到 274~299 VAC)。
圖 1:惡劣工作環(huán)境下的電壓波形。(圖片來源:Mornsun Power)
輸入過壓下電源元器件的電壓應(yīng)力分析
以圖 2 中的反激式開關(guān)模式電源為例,分析當(dāng)輸入電壓達(dá)到 305 VAC時(shí),如何根據(jù)電壓應(yīng)力選擇合適的元器件。
圖 2:反激式開關(guān)模式電源。(圖片來源:Mornsun Power)
當(dāng)然,這些木質(zhì)試驗(yàn)板作為使用現(xiàn)代元器件的電路平臺(tái)已經(jīng)過時(shí)了。盡管如此,“試驗(yàn)板”和“試驗(yàn)板布局”已成為與粗略構(gòu)建演示電路或子電路有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。然而,從真空管到分立引線晶體管和無源元器件、DIPIC,到現(xiàn)在幾乎看不見的表面貼裝器件,電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)試驗(yàn)板布局技術(shù)和平臺(tái)產(chǎn)生了重大影響。
1. 保險(xiǎn)絲 F1 的標(biāo)稱電壓選擇
保險(xiǎn)絲的標(biāo)稱電壓必須大于或等于關(guān)斷電路的最大電壓。由于保險(xiǎn)絲的電阻非常低,只有在試圖中斷電流時(shí),其標(biāo)稱電壓才變得重要。當(dāng)保險(xiǎn)絲元件熔斷時(shí),保險(xiǎn)絲必須能夠迅速斷開,熄滅電弧,并防止開路電壓通過斷開的保險(xiǎn)絲元件再次引發(fā)電弧。保險(xiǎn)絲的常用規(guī)格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應(yīng)對(duì)輸入電壓的大幅波動(dòng),應(yīng)選擇 300 V 的保險(xiǎn)絲。
2. 壓敏電阻 RV1 的標(biāo)稱電壓選擇
在實(shí)際應(yīng)用中,壓敏電阻 RV1 在電路中一般是并聯(lián)連接。當(dāng)電路正常工作時(shí),壓敏電阻處于高阻狀態(tài),這不會(huì)影響電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時(shí)過壓并達(dá)到其導(dǎo)通電壓(壓敏電阻電壓)時(shí),壓敏電阻迅速從高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài),將異常瞬時(shí)過壓引起的瞬時(shí)過流排放掉,并將異常瞬時(shí)過壓鉗制在安全水平內(nèi),從而保護(hù)后續(xù)電路避免因異常瞬時(shí)過壓而受損。
壓敏電阻的電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路中的電壓峰值,即連續(xù)施加于壓敏電阻兩端的電源電壓應(yīng)小于壓敏電阻規(guī)格中的“最大連續(xù)工作電壓值(交流和直流)”。如表 1 所示,300 VAC (385 VDC) 顯然不能滿足 305 VAC 的長期運(yùn)行。為了防止壓敏電阻損壞,在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下,就有必要選擇 10D561 壓敏電阻。
3. X 電容器 CX1 的標(biāo)稱電壓選擇
X2 安規(guī)電容器的標(biāo)稱電壓一般為 275 V、305 V 或 310 V,這些電壓實(shí)際上是通用的。由于不同國家/地區(qū)的標(biāo)稱電壓要求不同以及安全法規(guī)不同,X2 的標(biāo)簽并不一定準(zhǔn)確。例如,中國 CQC 認(rèn)證所要求的標(biāo)稱電壓是 310 VAC,而其他國家/地區(qū)則是 275 V、305 VAC 和 310 VAC。在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下,最好使用 310 V 的 X 電容器。
4. 橋式整流器 BD1 的標(biāo)稱電壓選擇
當(dāng) VIN = 264 VAC 時(shí),橋式整流二極管的最大應(yīng)力應(yīng)該是:Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。當(dāng) VIN = 305 VAC 時(shí),橋式整流二極管的最大應(yīng)力應(yīng)該是:Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。由于開關(guān)電源需要做雷擊電涌測試,因此一般會(huì)選擇標(biāo)稱電壓大于 600 V 的橋式整流器。為了滿足更惡劣的電涌環(huán)境,也可以選擇 1000 V 的橋式整流器。
5. 電解電容器 C1 的標(biāo)稱電壓選擇
當(dāng) VIN = 264 VAC 時(shí),該電解電容器的最大應(yīng)力應(yīng)該是:Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。當(dāng) VIN = 305 VAC 時(shí),該電解電容器的最大應(yīng)力應(yīng)該是:Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下,應(yīng)選擇 450 V 的電解電容器。
6. MOS 晶體管 Q1 的標(biāo)稱電壓選擇
MOS 晶體管的電壓應(yīng)力 (Vmos) 等于:VIN 指的是輸入電壓,最大輸入電壓為 431 V。VOR 是反射電壓,一般為 60-120 V,與初級(jí)和次級(jí)的匝數(shù)比呈正相關(guān)性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),這可以假設(shè)為 80 V 或更低。VPK 是由電感產(chǎn)生的峰值電壓,一般在 100 V 左右;通過優(yōu)化漏電感和吸收率參數(shù),可以取為 80 V 或更低。因此,MOS 晶體管 Q1 的工作電壓壓力應(yīng)該是:431 + 120 + 100 = 651 V。經(jīng)過優(yōu)化后,Q1 的工作電壓應(yīng)力可以是:431 + 80 + 80 = 591 V。因此,考慮到 305 VAC 輸入的電涌,為了保證 MOS 晶體管可靠工作,至少應(yīng)選擇 700 V 的 MOS 晶體管,但在優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感后,也可以選擇 650 V 的 MOS 晶體管。
VD-PK 指的是由次級(jí)漏電感產(chǎn)生的峰值電壓。由于它受不同的輸出電壓和吸收率參數(shù)的影響很大,因此計(jì)算方法一般為:假設(shè)輸出電壓為 12 V (VO= 12 V),二極管的漏感峰值為30 V (VD-PK= 30 V),MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V (VPK= 80 V),計(jì)算如下:、表 2:匝數(shù)比、MOS 晶體管和二極管之間的電壓應(yīng)力關(guān)系。(圖片來源:Mornsun Power)
從表 2 可以看出,傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源只考慮 373 V 的輸入電壓 (VIN = 373 V),而 MOS 晶體管和二極管的數(shù)值會(huì)相對(duì)較小,因而無法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過 373 V,就會(huì)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
綜上所述,以輸出電壓 12 V 為例,在電涌或輸入 305 VAC的情況下,為了保證二極管可靠工作,至少應(yīng)選擇 150 V 的二極管。然而,通過優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感,也可以選擇 100 V 的二極管。
輸入過壓的防護(hù)要求
根據(jù)上述計(jì)算,輸入過壓的最佳處理方法是優(yōu)化元器件的電壓應(yīng)力,如元器件選擇 Mornsun 的305RAC(所有條件下都可靠)電源。
表 3:Mornsun的 305RAC 和主流電源在若干不同標(biāo)稱電壓下的比較。(圖片來源:Mornsun Power)
同時(shí),可以通過增加內(nèi)部電氣間隙和爬電距離來保持高壓線之間的安全距離,避免電弧對(duì)原型造成損壞或給人員帶來危險(xiǎn)。
圖 3:反激式原理圖顯示為避免產(chǎn)生電弧的電路走線安全距離(見表 4)。(圖片來源:Mornsun Power)
表 4:針對(duì)圖 3 中的電路對(duì)主流電源和 305RAC 電源的電氣間隙/爬電距離之比較。(圖片來源:Mornsun Power)
總結(jié)
輸入過壓會(huì)損壞電源并對(duì)人員造成傷害。如何避免輸入過壓?通過對(duì)電源元器件進(jìn)行電壓應(yīng)力分析,確定了開關(guān)模式電源的關(guān)鍵元器件選型指南。同時(shí),增加電源的內(nèi)部電氣間隙和爬電距離,也有利于優(yōu)化電壓應(yīng)力。
通過比較主流電源和 Mornsun "305 RAC" 電源之間元器件的標(biāo)稱電壓、電氣間隙和爬電距離,305 RAC 交流/直流電源的功能可以有效地防護(hù)輸入過壓。此外,該電源還適用于對(duì)溫度、濕度、海拔、EMC 干擾等環(huán)境工作要求較高的惡劣和特殊環(huán)境。
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