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如何有效防止开关电源输入过压

来源: digikey
2022-11-18
类别:电源管理
eye 100
文章创建人 Mornsun

原标题:如何有效防止开关电源输入过压

  输入过电压是由于电网负荷波动较大引起的。例如,在用电高峰期电压通常较低,而在设备关闭时电压较高。

  电网电压幅值的实际变化幅度随电网容量、输配电设备质量、用电量等因素变化很大。在供电良好的城市和工业区,变化范围通常只有±15%左右(最大值不超过264V AC)。如果确实超过 264 V AC,电源可能会损坏,甚至会导致设备跳闸和/或引发火灾,从而危及安全和财产安全。

  但在供电条件较差的国家和地区,或电网有设备负荷变化较大的场合,如山区、公路隧道、充电站、发电机供电等,变化幅度为更大。有时变化范围可达 20%~30%(最大值可达 274 至 299 V AC)。

  

恶劣工作环境下的电压波形图

      图 1. 恶劣工作环境下的电压波形。(图片来源:Mornsun Power)

  输入过压下电源元器件的电压应力分析

  1、熔断器F1标称电压的选择

  保险丝的标称电压必须大于或等于关断电路的最大电压。由于保险丝的电阻非常低,其标称电压仅在试图中断电流时才变得重要。当熔断器元件熔化时,熔断器必须能够迅速断开,熄灭电弧,并防止开路电压通过断开的熔断器元件再次触发电弧。

  保险丝常用规格有125V、250V、300V、400V,针对输入电压波动较大的情况,应选用300V的保险丝。

  2、压敏电阻RV1额定电压的选择

  在实际应用中,电路中一般并联压敏电阻RV1。电路正常工作时,处于高阻状态,不影响电路的正常工作。当电路出现异常瞬时过电压并达到其导通电压(压敏电阻电压)时,压敏电阻迅速由高阻状态变为低阻状态,将异常瞬时过电压引起的瞬时过电流泄放,并钳位异常瞬时过电压在安全范围内,以保护后续电路免受异常瞬时过电压的损坏。

  压敏电阻的常用规格如下:

image.png

  表 1:S10K300和S10K350的压敏电阻电压规格。(图片来源:晨阳动力)

  压敏电阻的电压值应大于实际电路中的电压峰值,即连续加在压敏电阻两端的电源电压应小于“最大连续工作电压值(交流和直流)” “在变阻器规格中。如表1所示,300V AC(385V DC )显然不能满足305V AC的长期运行。为了防止压敏电阻损坏,在输入电压波动较大的情况下,需要选用10D561压敏电阻。

  3、X电容CX1标称电压的选择

  X2安规电容的标称电压一般为275V、305V或310V,实际上是通用的。由于不同国家对标称电压的要求不同,安规也不同,所以X2的标示并不总是准确的。例如,中国CQC认证要求的标称电压为310V AC,而其他国家为275V、305V AC和310V AC。在输入电压波动较大的情况下,首选310V的X电容。

  4、整流桥BD1标称电压的选择

  当V IN = 264 V AC时,桥式整流二极管的最大应力应为:Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。

  当V IN = 305 V AC时,桥式整流二极管的最大应力应为:Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。

  由于开关电源需要做雷击浪涌测试,一般选用额定电压大于600V的整流桥。为适应更恶劣的浪涌环境,也可选择1000V的整流桥。

  5、电解电容C1标称电压的选择

  当V IN = 264 V AC时,电解电容的最大应力应为:Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。

  当V IN = 305 V AC时,电解电容的最大应力应为:Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。

  在输入电压波动较大的情况下,应选用450V的电解电容。

  6、MOS管Q1标称电压的选择

  MOS晶体管的电压应力(V mos)等于:

  

公式 1


  V IN指输入电压,最大输入电压为431V。

  V OR为反射电压,一般为60-120 V,与初级和次级的匝数比正相关。通过优化设计,这可以假定为 80 V 或更低。

  V PK是电感产生的峰值电压,一般在100V左右,通过优化漏感和吸收参数可以取到80V以下。

  因此,MOS管Q1的工作电压应力应为:431+120+100=651V。优化后Q1的工作电压应力为:431+80+80=591V。因此,考虑305的浪涌V交流输入,为保证MOS管可靠工作,至少应选用700V的MOS管,但也可在优化变压器的匝比和漏感后选用650V的MOS管。

  7、二极管D1标称电压的选择

  二极管的电压应力计算公式为:

  

公式 2


  V D-PK是指次级漏感产生的峰值电压。由于受不同输出电压和吸收参数影响较大,一般计算为:

  

公式 3


  假设输出电压为12V(V O = 12 V),二极管的漏感峰值为30 V(V D-PK = 30 V),MOS管的漏感峰值为80 V(V PK = 80 V),计算如下:

  变比109876

  V输入= 373VWD _79.3 伏83.4伏88.6 伏95.3 伏104.2 伏

  VMOS _573伏561伏549伏537伏525伏

  V输入= 431VWD _85.1 伏89.8 伏95.8伏103.5 伏113.8 伏

  VMOS _631伏619伏607伏595伏583伏

  表2:匝数比、MOS管和二极管之间的电压应力关系。(图片来源:晨阳动力)

  从表2可以看出,传统的开关电源只考虑373V的输入电压(V IN = 373V),MOS管和二极管的取值会比较小,不能应用于输入电压为431V,一旦输入电压超过373V,就有损坏的风险。

  综上所述,以12V的输出电压为例,对于305V AC的浪涌或输入,为保证二极管的可靠工作,至少应选择150V的二极管。但是,也可以通过优化变压器的匝数比和漏感来选择100 V二极管。

  输入过压保护要求

  According to the calculation above, the best way to deal with input overvoltage is to optimize the voltage stress of components, such as components selection of Mornsun 305RAC (Reliable under all conditions) power supplies.

Screen printingComponent nameMainstream power supplies305RAC power supplies
F1fuse250 V300 V
RV1varistor470 V560 V
CX1X capacitor275 V310 V
BD1rectifier bridge600 V or 800 V1,000 V
C9big electrolytic capacitor400 V450 V
Q1MOS transistor600 V>e;650 V
D22diode100 V150 V

  Table 3: Comparison of Mornsun 305RAC and mainstream power supplies for several different rated voltages. (Image source: Mornsun Power)

  At the same time, keeping a safe distance between high-voltage lines can be maintained by increasing the internal electrical gap and creep distance, avoiding arcing damage to the prototype or endangerment of personnel.

  

Mark No.NameElectrical clearance/creepage distance of mainstream power supplyElectrical clearance/creepage distance of 305 RAC power supply
①②L-N2.0 mm / 2.5 mm2.0 mm / 3.2 mm
Primary side - Secondary side4.6 mm / 6.4 mm4.6 mm / 8.0 mm
Before the rectifier bridge, LN-PE2.0 mm / 2.5 mm2.0 mm / 3.2 mm
After the rectifier bridge, LN-PE2.0 mm / 2.8 mm2.0 mm / 3.2 mm
VO-PE3.6 mm / 5.5 mm4.0 mm / 6.4 mm

  Table 4: Comparisons of electrical clearance/creepage distance of mainstream and 305RAC power supplies for the circuit in Figure 3. (Image source: Mornsun Power)

  Summary

  An input overvoltage can damage a power supply and cause harm to people. How can input overvoltages be avoided? Through the voltage stress analysis of the power supply components, the selection guide of the key components of the switched-mode power supply is determined. At the same time, increasing the internal electric gap and creep distance of the power supply is also beneficial for optimizing the voltage stress.

  通过比较主流电源与晨升“305 RAC”电源的额定电压、电气间隙和元器件爬电距离,305 RAC AC/DC电源具有有效的输入过压保护功能。也可用于温度、湿度、海拔高度、EMC干扰等对环境运行要求较高的恶劣和特殊环境。


责任编辑:David

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