摘要：本文通過(guò)開(kāi)關(guān)電源在輸入電壓過(guò)壓異常時(shí)電源的可能失效現(xiàn)象，分析輸入過(guò)壓時(shí)對(duì)電源元器件的應(yīng)力影響、以及過(guò)壓時(shí)元器件的失效機(jī)理。針對(duì)在輸入過(guò)壓時(shí)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(guò)壓能力，提升電源的可靠性，從而提升整機(jī)設(shè)備的可靠性，降低輸入電壓波動(dòng)對(duì)電源和設(shè)備的失效影響。
?

• 輸入電壓過(guò)壓原因

工控設(shè)備工作在戶(hù)外或是有電動(dòng)機(jī)等大型廠房的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，設(shè)備中的開(kāi)關(guān)電源在工作一段時(shí)間后突然就無(wú)輸出，拆開(kāi)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(guò)高的電壓，或是輸入電壓中有疊加很高的電壓尖峰，導(dǎo)致電源的輸入電壓超過(guò)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(dòng)過(guò)大，超過(guò)電源中元器件承受的最大電壓應(yīng)力，元器件就會(huì)失效，導(dǎo)致電源失效。
?
1.1 輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)
輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸入電壓過(guò)壓，主要是電網(wǎng)中的負(fù)載出現(xiàn)較大波動(dòng)導(dǎo)致。例如在用電高峰時(shí)期電網(wǎng)電壓往往偏低；在一些有大型電動(dòng)機(jī)或是感性負(fù)載的廠房場(chǎng)合，當(dāng)負(fù)載停機(jī)或是開(kāi)機(jī)時(shí)，往往都會(huì)急劇抬高或拉低電網(wǎng)的電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)等級(jí)有如下規(guī)定：

電網(wǎng)電壓幅值實(shí)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(fù)載、實(shí)際應(yīng)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(dòng)上限為264VAC）左右。因此開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓最大值一般都是設(shè)計(jì)為264VAC。一旦電網(wǎng)電壓超過(guò)264VAC，開(kāi)關(guān)電源有可能會(huì)損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備跳閘、著火，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成威脅。
在供電條件較差的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)、或者電網(wǎng)存在負(fù)載變化很大的應(yīng)用場(chǎng)景：如山區(qū)、公路隧道，發(fā)電機(jī)等電網(wǎng)供電場(chǎng)合，電壓變化范圍可能要大得多，有時(shí)甚至能夠達(dá)到20%~30%（274~299VAC）。此時(shí)電網(wǎng)輸入電壓已經(jīng)超過(guò)電源的最高輸入電壓264VAC，因此電源存在很高的失效風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)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(yīng)高壓電壓尖峰

當(dāng)用電設(shè)備在戶(hù)外場(chǎng)合時(shí)，在雷雨天氣打雷時(shí)，電網(wǎng)中有時(shí)會(huì)感應(yīng)到雷電高壓尖峰電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)輸入電壓存在一個(gè)較高的電壓尖峰，此尖峰電壓會(huì)疊加到220VAC輸入電壓中，導(dǎo)致尖峰電壓隨之進(jìn)入電源內(nèi)部，電源內(nèi)部的元器件過(guò)壓損壞。最?lèi)毫拥那闆r是雷電直接擊中電網(wǎng)電線(xiàn)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓瞬間上升到電源和設(shè)備無(wú)法承受的值，電源直接損壞。如下圖所示，當(dāng)感應(yīng)電壓進(jìn)入到電源內(nèi)部時(shí)，輸入大電解電容兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的浪涌尖峰電壓。此尖峰電壓會(huì)導(dǎo)致大電容過(guò)壓失效。

?

• 輸入過(guò)壓時(shí)電源的元器件電壓應(yīng)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(dòng)±10%設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍，因此開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍基本都是85~264VAC，以便適應(yīng)全球通用電壓范圍應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源常用的原理拓?fù)渲饕蟹醇ぁ⒄ず蚅LC三種，我們以最常用的反激拓?fù)湓頌槔治鲭娫粗械脑骷谳斎脒^(guò)壓時(shí)的應(yīng)力。分析當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)壓到305VAC時(shí)，開(kāi)關(guān)電源中的元器件根據(jù)電壓應(yīng)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(xiǎn)絲F1額定電壓選擇

保險(xiǎn)絲在正常工作時(shí)，其阻值是非常低，相當(dāng)于一根導(dǎo)線(xiàn)。只有當(dāng)流過(guò)的電流過(guò)大時(shí)，超過(guò)保險(xiǎn)絲的熔斷電流后，保險(xiǎn)絲才會(huì)熔斷，此時(shí)保險(xiǎn)絲的額定電壓值才變得重要。當(dāng)保險(xiǎn)絲內(nèi)部的熔絲熔斷后，保險(xiǎn)絲必須快速的斷開(kāi)，并且斷開(kāi)后兩端不能有拉弧現(xiàn)象發(fā)生，從而形成開(kāi)路情況保護(hù)后端電路。在保險(xiǎn)絲斷開(kāi)后，兩端承受的電壓不能讓斷開(kāi)的熔絲再次發(fā)生拉弧而導(dǎo)電。因此保險(xiǎn)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(xiǎn)絲不能被擊穿拉弧而導(dǎo)電。

保險(xiǎn)絲常見(jiàn)的額定電壓規(guī)格有125V、250V、300V、400V等，對(duì)于輸入電壓最高為264VAC的開(kāi)關(guān)電源，在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，選擇300VAC額定電壓值的保險(xiǎn)絲就可(還要考慮成本)。因此在輸入電壓波動(dòng)到305VAC時(shí)，開(kāi)關(guān)電源中選擇300VAC規(guī)格額定電壓值的保險(xiǎn)絲，可以提高電源的可靠性，降低電壓波動(dòng)對(duì)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(shí)際電路應(yīng)用中，壓敏電阻RV1是并聯(lián)在輸入端L和N線(xiàn)之間。當(dāng)電路正常工作時(shí)，它處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常工作；但是當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時(shí)過(guò)電壓并達(dá)到其導(dǎo)通電壓（壓敏電壓）時(shí)，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(shí)過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流，同時(shí)把異常瞬態(tài)過(guò)電壓鉗位在一個(gè)安全水平之內(nèi)，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常瞬時(shí)過(guò)電壓的損壞，達(dá)到防止輸入電壓瞬時(shí)過(guò)壓損壞電源的作用。

常見(jiàn)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(shí)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(shū)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(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間工作在305VAC輸入電壓條件下。為防止壓敏電阻損壞，同時(shí)為了防護(hù)輸入電壓存在電壓尖峰波動(dòng)導(dǎo)致電源失效，輸入處的壓敏電阻需要選擇561規(guī)格型號(hào)，提高電源的抗輸入電壓波動(dòng)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(xiàn)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(guó)家的安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一樣、不同安規(guī)認(rèn)證要求的額定電壓不一樣導(dǎo)致。CQC認(rèn)證要求的額定電壓是310V AC，其它國(guó)家要求為：275V、305V AC、310V AC。為提高電源的可靠性，在對(duì)應(yīng)輸入電壓波動(dòng)比較大的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，由于開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓存在一定的波動(dòng)，實(shí)際的輸入電壓值有時(shí)會(huì)超過(guò)電源的最大工作電壓值；同時(shí)開(kāi)關(guān)電源還需要滿(mǎn)足EMC性能實(shí)驗(yàn)，特別是雷擊浪涌和脈沖群實(shí)驗(yàn)，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(yīng)對(duì)輸入電壓存在較大波動(dòng)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(yīng)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(huì)大大增加）。
?
2.6 MOS管Q1額定電壓選擇
在反激拓?fù)湓碇?，MOS管的電壓應(yīng)力計(jì)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(dòng)而輸入電壓過(guò)壓，選用規(guī)格為650V的MOS管在電路中工作，MOS管的應(yīng)力還有一定的裕量，并且MOS管的電壓應(yīng)力可以通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整變壓器和電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化降低。

因此當(dāng)輸入電壓在305VAC穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，即使電網(wǎng)電壓存在一定的波動(dòng)，選用650V的MOS管，也是有一定的電壓應(yīng)力裕量，可以提高電源在輸入過(guò)壓下的可靠性。當(dāng)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(huì)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(yīng)力值如下表所示：

由上表可知，若開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓只考慮到=373VDC（此時(shí)交流輸入電壓值為264VAC），MOS管和二極管的電壓應(yīng)力規(guī)格取值都會(huì)偏小。此時(shí)開(kāi)關(guān)電源不能適用于=431VDC（交流輸入電壓305VAC）的情況。因此對(duì)于輸入電壓范圍為85-264VAC的開(kāi)關(guān)電源而言，一旦輸入電壓波動(dòng)超過(guò)264VAC的最高額定工作電壓時(shí)，電源就會(huì)有輸入過(guò)壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，以開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓12V為例，考慮到305VAC輸入電壓波動(dòng)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(dāng)然也可以通過(guò)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(yīng)力，選取100V規(guī)格的二極管。只是二極管的電壓應(yīng)力裕量會(huì)比較小。
?

• 輸入過(guò)壓防護(hù)要求和解決方案

根據(jù)上面的分析可知，開(kāi)關(guān)電源的輸入過(guò)壓主要有兩個(gè)原因：1、輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)，輸入電壓超過(guò)開(kāi)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(dòng)的輸入過(guò)壓防護(hù)方案

針對(duì)輸入電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)電源的防護(hù)方案，根據(jù)本文第二章對(duì)電源中各個(gè)元器件的電壓應(yīng)力計(jì)算可知，為了解決輸入電壓過(guò)壓導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源的損壞，最好的辦法就是優(yōu)化元器件的電壓應(yīng)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(dòng)到305VAC時(shí)的元器件選取規(guī)格參數(shù)。

同時(shí)，輸入電壓波動(dòng)到更高的電壓后，電源內(nèi)部的任意兩點(diǎn)之間的絕緣電壓也會(huì)隨之升高，為了加強(qiáng)電源內(nèi)部的絕緣性能，增加可靠性。可以通過(guò)加大電源內(nèi)部走線(xiàn)和元器件之間的電氣間隙和爬電距離來(lái)保持高壓導(dǎo)線(xiàn)之間的安全距離，這樣就不會(huì)因?yàn)榘踩嚯x不夠而產(chǎn)生的拉弧、放點(diǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致電源損壞或是危害人身安全。

?

因此根據(jù)以上分析，對(duì)于輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的輸入過(guò)壓的防護(hù)方案，可以采取以下兩個(gè)措施：1、開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件的規(guī)格選用更高等級(jí)的參數(shù)(當(dāng)然需要兼顧可靠性和成本的平衡)；2、同時(shí)加大電源中的走線(xiàn)和元器件之間的電氣間隙和爬電距離；通過(guò)這兩個(gè)方案的結(jié)合，開(kāi)關(guān)電源防護(hù)輸入過(guò)壓的能力會(huì)大大提高，增加開(kāi)關(guān)電源抗輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的輸入過(guò)壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
?
3.2 輸入電網(wǎng)中存在高壓尖峰電壓的輸入過(guò)壓防護(hù)方案

對(duì)于輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)的輸入過(guò)壓，此過(guò)電壓維持的時(shí)間比較長(zhǎng)，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因此需要通過(guò)3.1節(jié)中的方案進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于電網(wǎng)輸入電壓中存在瞬間的高壓尖峰電壓的輸入過(guò)壓防護(hù)，由于此尖峰電壓持續(xù)的時(shí)間非常短，一般為毫秒甚至是微秒級(jí)別。此高壓尖峰電壓的特點(diǎn)是：尖峰電壓高，持續(xù)時(shí)間短，尖峰電壓的能量并不大。根據(jù)此尖峰電壓的特點(diǎn)，可以通過(guò)壓敏電阻進(jìn)行鉗位防護(hù)，或是在開(kāi)關(guān)電源的輸入端增加一個(gè)濾波器，防護(hù)效果更好。

在實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用場(chǎng)合中，輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)和高壓尖峰電壓可能會(huì)同時(shí)存在，因此為了防護(hù)此更加惡劣的工作條件下的開(kāi)關(guān)電源，可以結(jié)合以上兩種解決方案，以便增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用可靠性，提升設(shè)備的抗輸入過(guò)壓能力。
?

• 總結(jié)

本文通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的過(guò)程中遇到的開(kāi)關(guān)電源輸入過(guò)壓失效現(xiàn)象，對(duì)開(kāi)關(guān)電源由于輸入過(guò)壓導(dǎo)致失效的原因分析，從理論計(jì)算給出開(kāi)關(guān)電源中關(guān)鍵元器件的電壓應(yīng)力分析，確定開(kāi)關(guān)電源中關(guān)鍵元器?? 件的電壓應(yīng)力選型依據(jù)和選型規(guī)格，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化電源中的走線(xiàn)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(guò)壓能力。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸入過(guò)壓兩種可能情況（輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，此兩種解決方案同時(shí)應(yīng)用，可以大大增加開(kāi)關(guān)電源的抗輸入過(guò)壓能力，提升開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用可靠性和設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

針對(duì)抗輸入過(guò)壓的電源產(chǎn)品，旭之源科技有相應(yīng)的電源產(chǎn)品方案：升級(jí)版AM-V2系列和半灌膠AMF-UH系列，這兩個(gè)系列的開(kāi)關(guān)電源可以很好的解決輸入過(guò)壓導(dǎo)致電源失效的問(wèn)題。另外也能通過(guò)搭配濾波器，進(jìn)一步增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源的抗輸入過(guò)壓時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，提升開(kāi)關(guān)電源和設(shè)備的工作可靠性。