开关电源输入过压解决方案：元器件应力分析与防护
开关电源输入过压解决方案：元器件应力分析与防护
在工业控制设备中，开关电源的可靠性至关重要。本文将深入探讨开关电源在输入过压情况下的防护方案，从元器件应力分析到具体解决方案，为提升电源可靠性提供全面指导。
输入电压过压原因
工控设备在户外或大型厂房等应用场景中，开关电源可能会因输入电压异常而失效。常见的失效现象包括压敏电阻、大电解电容甚至主功率MOS管的炸裂。这些失效通常由以下两种情况引起：
- 输入电网电压波动：电网中的负载波动会导致电压变化。例如，在用电高峰时期电网电压可能偏低；而在有大型电动机或感性负载的场合，开机或停机时会急剧抬高或拉低电网电压。国家标准对电网电压波动等级有明确规定：
在供电条件较好的城市和工业区，电网电压变化范围通常在±10%以内（即220VAC电网的波动上限为264VAC）。因此，大多数开关电源设计的最大输入电压为264VAC。然而，在供电条件较差的地区或特殊应用场景中，电压变化范围可能达到20%30%（274299VAC），此时电源存在很高的失效风险。
- 电网中存在感应高压电压尖峰：在户外场合，雷雨天气可能导致电网中感应到雷电高压尖峰。这种尖峰电压叠加在220VAC输入电压上，可能造成电源内部元器件过压损坏。最严重的情况是雷电直接击中电网电线，导致电压瞬间升高至电源和设备无法承受的水平。
输入过压时电源的元器件电压应力分析
全球通用的电网电压主要有110VAC和220VAC两种。按照±10%的正常波动范围设计，开关电源的输入电压范围通常为85~264VAC。以最常用的反激拓扑为例，分析当电网电压过压到305VAC时，各关键元器件的电压应力和选型依据：
保险丝F1额定电压选择
保险丝在正常工作时阻值很低，只有当电流过大时才会熔断。熔断后，保险丝两端承受的电压不能导致再次导电。对于最大输入电压264VAC的开关电源，在电压波动较大的情况下，选择300VAC额定电压的保险丝可以提高可靠性。
压敏电阻RV1额定电压选择
压敏电阻并联在输入端L和N线之间，用于防护异常瞬时过电压。其额定压敏电压值要大于实际电路中的稳态工作输入电压值。
为防止压敏电阻损坏，同时提高电源的抗输入电压波动能力，应选择561规格型号的压敏电阻。
X电容CX1额定电压选择
X安规电容跨接在输入L和N线之间，不同国家的安规认证标准要求的额定电压不同。为提高电源的抗输入过压能力，应选择额定电压值为310VAC的X安规电容。
整流桥BD1额定电压选择
整流桥将交流电压整流成脉动的直流电压。考虑到输入电压波动和EMC性能实验要求，应选用额定电压为1000V的整流桥。
输入大电解电容C1额定电压选择
为应对输入电压较大波动，大电解电容的额定电压值应选用450VDC规格。
MOS管Q1额定电压选择
在反激拓扑中，MOS管的电压应力需考虑输入电压波动。选用650V的MOS管可以保证在305VAC稳态工作时有一定的电压应力裕量。
二极管D1额定电压选择
根据输入电压和变压器的原次边匝比，二极管的电压应力规格应选取150VDC。当然，也可以通过优化变压器参数等降低二极管的电压应力。
输入过压防护要求和解决方案
输入电网电压波动的输入过压防护方案
通过优化元器件的电压应力和选用更高等级的元器件，可以有效防护输入电压过压导致的电源损坏。同时，加大电源内部走线和元器件之间的电气间隙和爬电距离，可以保持高压导线之间的安全距离，防止拉弧和放电现象。
输入电网中存在高压尖峰电压的输入过压防护方案
对于瞬间的高压尖峰电压，可以使用压敏电阻进行钳位防护，或在开关电源的输入端增加滤波器。在实际应用中，这两种防护方案可以结合使用，以增强电源的可靠性。
总结
本文通过实际应用中遇到的开关电源输入过压失效现象，详细分析了各种元器件在过压情况下的应力，并提出了具体的防护方案。这些解决方案可以有效提升开关电源的抗输入过压能力，增强设备的运行可靠性。
本文原文来自旭之源科技